量子物体的特征在于其量子力学行为和性质。例如，量子物体的能级被量化。这可以是原子或分子的电子、磁或振动水平或超导体中的自旋态。另一个量子特性是量子相干性。

这描述了量子态随着时间的推移保持其波状叠加的能力，能够承受任何环境干扰。量子纠缠也是描述量子物体的量子力学特征。纠缠是指产生两个或多个具有相同量子特性的纠缠粒子，而不管它们之间的距离如何。

什么是量子传感？

当使用量子物体测量物理量时，就实现了量子传感。上述任何量子特性都可以用于检测。物理量的变化可以通过量子相干性、量子纠缠或量子态来精确测量。

量子传感器响应的物理参数将决定所需的量子技术平台类型。例如，俘获离子对电场敏感，将成为电场检测的理想探针。基于自旋的量子传感器主要响应磁场。下面描述了一些不同的量子技术平台及其在传感中的应用。

中性原子

基态中性碱原子的自旋特性用于量子传感。传感所需的必要条件可以通过激光准备和读出。

室温下的原子热蒸气可用作磁性探针。原子能级的塞曼分裂用于检测弱磁场。脑磁图 (MEG) 是一种医学测试方法，它使用原子蒸气来测量大脑神经活动产生的磁场。在高能物理学中，基于原子蒸气的传感有望增强对基本粒子的检测。

在真空管内自由落体的激光冷却原子用于重力测量。原子干涉法利用量子粒子的物质波特性来计算加速度。用激光探测自由落体的原子，并测量由原子引起的激光束中的相移。

重力仪能够以非常高的灵敏度检测给定位置的重力。重力传感器具有重大影响的一个应用是在建筑项目中。由于不可预见的地下隐藏特征，基础设施开发经常被延迟且成本高昂。量子重力仪可以及早发现风险，并有助于缓解天坑和矿井等问题。重力仪还可用于探测地下深处的矿物和油类。

加速度计使用与量子重力仪相同的概念进行导航。跟踪加速度微小变化的能力可以提供有关地形和环境的信息。量子导航器不依赖全球定位系统 (GPS) 来引导朝向目标。

里德堡原子是吸收能量以将电子激发到更高的外部能级的原子。当电子远离原子核移动时，原子的极化强度增加。里德堡原子的这种质量使其成为电场的理想量子传感器。里德堡原子已成功地用作单微波光子探测器。由于它们的长程相互作用，里德堡原子也是模拟凝聚态物质系统的热门候选者。

原子钟使用特定原子中非常不敏感的电子跃迁来保持极其精确的时间。光时钟用作绝对频率参考，并且在任何需要计时的应用中都有重大影响。例如，在 GPS、高速宽带通信以及自动驾驶汽车的开发中。

捕获离子

捕获在折衷或磁场中的电荷原子离子也被用作量子传感器。被捕获离子的激光冷却运动状态对电场和力极为敏感。捕获离子的一些高级应用包括超灵敏力显微镜和检测由吸收剂引起的表面上方的弱电场噪声。俘获离子也被用作原子钟和里德堡离子。

光力学

在光机械领域，与光耦合的量子化机械振动可以检测微弱的力。除了力测量之外，光机械传感应用还包括加速度、磁场、电压、质量和自旋。

光子

量子传感也可以通过光子实现，光子是光的基本粒子。压缩光会产生部分纠缠的光子，其量子波动低于散粒噪声极限，用于极其敏感的传感应用。例如，激光干涉引力波天文台 (LIGO) 采用压缩光来探测引力波。

核磁共振 (NMR)

核磁共振 (NMR) 使用原子核的固有自旋特性来检测弱磁场。核磁共振是最早商业化的量子传感器之一。它们在临床磁共振成像 (MRI)、地质和考古调查以及太空任务中具有广泛的应用。NMR 设备坚固且易于操作。

钻石缺陷

钻石中的色心是另一种磁性量子传感器，在过去十年中获得了广泛的适用性。在金刚石晶体中制造的电子缺陷可以在室温下使用低成本激光源进行操作。缺陷可以通过将氮、硅、锗和其他原子注入金刚石晶格来合成。钻石中的氮空位中心（NV 中心）实现的磁场显微映射已导致细菌中磁性细胞器的成像、陨石中的微观反应以及 Covid-19 诊断设备。

超导体

超导量子干涉装置 (SQUID) 是一种非常灵敏的磁力计。SQUID 由超导干涉仪制成，是最古老的量子传感器之一。SQUID 已成功用于材料表征和临床脑磁图。

展望

如上所述，量子传感在过去几年中显著推动了传感技术的发展。随着许多政府实体和私营部门加速量子技术研发，未来量子传感的应用将更加广泛和成熟。在计算、仿真和通信方面的其他基于量子力学的设备探索将对量子传感的发展产生深远的影响。

原文链接：https://www.azoquantum.com/Article.aspx?ArticleID=324

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