從地下勘探到腦科學(xué)和空中交通控制，量子傳感器潛力是巨大的。但它們首先必須“走出”實(shí)驗(yàn)室。

美國(guó)陸軍于2020年開(kāi)發(fā)的一種可以探測(cè)整個(gè)無(wú)線電頻譜通信信號(hào)的量子傳感器

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近日，德國(guó)航空航天中心（DLR）量子技術(shù)研究所所長(zhǎng)Kai Bongs、英國(guó)量子傳感和計(jì)時(shí)技術(shù)中心主任Simon Bennett、倫敦物理研究所量子商業(yè)創(chuàng)新和增長(zhǎng)小組主席Anke Lohmann在Nature期刊上發(fā)表了題為“Quantum sensors will start a revolution — if we deploy them right”的文章，描述了量子傳感器商業(yè)化的五個(gè)優(yōu)先事項(xiàng)，以使其更快地走出實(shí)驗(yàn)室。

量子傳感器利用原子和光子的基本特性來(lái)測(cè)量世界。粒子的量子態(tài)對(duì)環(huán)境極為敏感，這對(duì)傳感來(lái)說(shuō)是個(gè)優(yōu)點(diǎn)，但對(duì)于制造量子計(jì)算機(jī)來(lái)說(shuō)則是個(gè)問(wèn)題。使用粒子作為探針的量子傳感器可以比設(shè)計(jì)或基于化學(xué)或電信號(hào)的傳統(tǒng)設(shè)備更精確地量化加速度、磁場(chǎng)、旋轉(zhuǎn)、重力和時(shí)間的流逝。它們可以被用來(lái)制造更小、更精確的原子鐘、透過(guò)煙霧或繞過(guò)拐角觀察的相機(jī)、用于繪制地下結(jié)構(gòu)圖的裝置，以及許多其它潛在的應(yīng)用。量子傳感器將變革從能源、土地使用和運(yùn)輸?shù)结t(yī)療保健、金融和安全等眾多應(yīng)用領(lǐng)域，但是其商業(yè)前景需要得到更多的重視。

在科研實(shí)驗(yàn)室中開(kāi)發(fā)量子傳感器的研究人員渴望讓政府和產(chǎn)業(yè)界更多地意識(shí)到其可能帶來(lái)的好處——尤其是在改善依賴于傳感器的國(guó)家關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施的安全性方面，例如空中交通控制系統(tǒng)和供水設(shè)施等。然而，研究人員在獲得關(guān)注和資金以使量子傳感器應(yīng)用于現(xiàn)實(shí)世界時(shí)，卻面臨著不少障礙。

一個(gè)挑戰(zhàn)是很難準(zhǔn)確預(yù)測(cè)新興技術(shù)將如何以及在何處被采用。物理學(xué)的歷史充滿了偶然的發(fā)明。

另一個(gè)因素是許多人——包括商業(yè)領(lǐng)袖——認(rèn)為量子技術(shù)將應(yīng)用于未來(lái)的設(shè)備，而不是現(xiàn)在的設(shè)備。與受到大量媒體關(guān)注但可能需要數(shù)十年才能提供廣泛商業(yè)優(yōu)勢(shì)的量子計(jì)算機(jī)不同，量子傳感器已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室中投入使用。其中少數(shù)已經(jīng)投入商業(yè)用途：例如，原子鐘利用原子中的高頻量子躍遷極其精確地測(cè)量時(shí)間的流逝。它們的準(zhǔn)確性保持了通信和能源網(wǎng)絡(luò)以及數(shù)字無(wú)線電臺(tái)的同步。它們對(duì)GPS等衛(wèi)星導(dǎo)航服務(wù)至關(guān)重要。

即便如此，GPS接收器從軍方、精通技術(shù)的徒步旅行者和船長(zhǎng)使用的專業(yè)設(shè)備發(fā)展到為智能手機(jī)和汽車提供導(dǎo)航，還是用了20年的時(shí)間。現(xiàn)在，量子研究群體需要建立類似的途徑來(lái)實(shí)現(xiàn)其它類型量子傳感器的商業(yè)效益。

以下將依次強(qiáng)調(diào)量子傳感器商業(yè)化的五個(gè)優(yōu)先事項(xiàng)，以使其更快地被采用。

使量子傳感器更穩(wěn)定可靠

產(chǎn)業(yè)界的創(chuàng)新者很少會(huì)因?yàn)閮H僅證明了一個(gè)概念的實(shí)驗(yàn)室結(jié)果而興奮。他們想知道一款設(shè)備能否在特定的應(yīng)用中可靠地工作，并且有利于他們企業(yè)的財(cái)務(wù)狀況。研究人員需要確保任何進(jìn)入市場(chǎng)的傳感器都是穩(wěn)定且可靠的，可以重復(fù)制造且具有成本效益，并與其它正在使用的系統(tǒng)兼容。在實(shí)踐中，這可能意味著需要從許多方面重新設(shè)計(jì)該技術(shù)。而每一次調(diào)整都會(huì)帶來(lái)新的挑戰(zhàn)。

找到需要量子傳感器的應(yīng)用

研究人員需要與商業(yè)領(lǐng)袖溝通，以確定量子傳感器如何在一系列的應(yīng)用中增加價(jià)值。例如，重力傳感器的用途并不明顯；很少有人從重力或物質(zhì)密度的角度來(lái)使周圍的環(huán)境可視化。但在與100多家公司討論后，研究人員得出結(jié)論，重力傳感器將非常適合用于揭示地下的未知事物，從被遺忘的礦井位置到地下水位，再到土壤和巖漿流中的碳分布等等。原則上，這些都可以通過(guò)傳統(tǒng)的重力儀觀測(cè)到，但地面振動(dòng)使得測(cè)量時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，通常一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)需要5-10分鐘。有了量子重力梯度儀，這種數(shù)據(jù)可以在幾秒鐘內(nèi)收集，為重力測(cè)繪開(kāi)辟了新可能。而這正是研究人員迄今為止所關(guān)注的。

將量子傳感器集成到當(dāng)前系統(tǒng)中

任何傳感器都必須集成到一個(gè)更大的系統(tǒng)中才能實(shí)現(xiàn)其價(jià)值。例如，慣性傳感器——一種檢測(cè)運(yùn)動(dòng)的傳感器——本身是相對(duì)無(wú)用的。但當(dāng)它與智能手機(jī)中的電子器件、軟件和顯示屏集成時(shí)，它可以提供用戶的步數(shù)和消耗的卡路里等健康信息。

同樣，量子加速度計(jì)和旋轉(zhuǎn)、重力和磁場(chǎng)的傳感器可以被組合成海底和地下使用的定位、導(dǎo)航和計(jì)時(shí)系統(tǒng)。在這一應(yīng)用中，量子傳感器比傳統(tǒng)傳感器具有更低的偏差、更高的精度和更高的穩(wěn)定性，無(wú)需使用GPS等全球衛(wèi)星系統(tǒng)的情況下即可實(shí)現(xiàn)米級(jí)精度的導(dǎo)航。這種能力將有助于勘探海底資源，以及保護(hù)和維護(hù)海上風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)和石油鉆井平臺(tái)的管道、電纜和基礎(chǔ)。

雖然學(xué)術(shù)研究人員可以開(kāi)發(fā)出具有合適性能的量子傳感器，但產(chǎn)業(yè)界需要引領(lǐng)這一系統(tǒng)集成階段?，F(xiàn)有的學(xué)術(shù)資金流太小，無(wú)法支持這種合作研究。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，需要與產(chǎn)業(yè)界簽訂大量的長(zhǎng)期研究和開(kāi)發(fā)合同。例如，21世紀(jì)初，美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局（Defense Advanced Research Projects Agency）通過(guò)一個(gè)涉及學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的專門開(kāi)發(fā)計(jì)劃，為在十年內(nèi)制造出芯片級(jí)原子鐘提供了幫助。

建立數(shù)據(jù)需求

來(lái)自傳感器的原始數(shù)據(jù)需要轉(zhuǎn)換成對(duì)特定任務(wù)有用的信息。例如，雖然量子磁場(chǎng)傳感器可以檢測(cè)到與大腦神經(jīng)活動(dòng)模式相關(guān)的微小磁場(chǎng)，但是大腦活動(dòng)的3D可視化需要這樣的傳感器陣列，以及算法和圖形化表示，以醫(yī)生可以理解的方式展示它們。

合作創(chuàng)新

盡管許多國(guó)家已經(jīng)開(kāi)始協(xié)同努力發(fā)展基礎(chǔ)水平的量子技術(shù)，但在采用和利用方面仍然是分散的。由于許多研究團(tuán)隊(duì)各自獨(dú)立工作，解決上面列出的研究挑戰(zhàn)需要數(shù)十年的時(shí)間。為了加快速度，需要一個(gè)協(xié)調(diào)量子傳感器研究項(xiàng)目的策略。

德國(guó)、日本、荷蘭、英國(guó)和美國(guó)在內(nèi)的一些國(guó)家已經(jīng)建立了研究中心和大型項(xiàng)目，通過(guò)集聚專業(yè)知識(shí)和提供與產(chǎn)業(yè)界及其他合作伙伴互動(dòng)的門戶，來(lái)協(xié)調(diào)學(xué)術(shù)界和國(guó)家對(duì)量子技術(shù)的需求。然而，總的來(lái)說(shuō)，傳感器在國(guó)家量子技術(shù)計(jì)劃中并沒(méi)有得到應(yīng)有的關(guān)注，只有少數(shù)例外，比如德國(guó)Baden Württemberg州的QuantumBW計(jì)劃，該計(jì)劃明確關(guān)注量子傳感。

政府需要出臺(tái)政策和法規(guī)來(lái)支持量子傳感器的創(chuàng)新，其中一個(gè)重點(diǎn)是加強(qiáng)關(guān)鍵國(guó)家基礎(chǔ)設(shè)施的管理和安全。

政府還需要采取舉措，讓從組件制造商到系統(tǒng)集成商的公司與學(xué)術(shù)界一起幫助尋找量子傳感商業(yè)解決方案，而不是簡(jiǎn)單地提出技術(shù)，然后迅速擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模，以期獲得市場(chǎng)。

總之，迫切需要一種長(zhǎng)期的、由產(chǎn)業(yè)界主導(dǎo)的方案來(lái)推動(dòng)量子傳感器創(chuàng)新。量子傳感器的物理原理可以實(shí)現(xiàn)出色的性能，但問(wèn)題是：誰(shuí)將引領(lǐng)世界讓這些優(yōu)勢(shì)落地？