精密测量与量子传感器技术的概念及应用

量子传感器技术可在广东哪些产业中优先应用?据悉,在广州、深圳等地的优势产业方面,根据量子技术的特点,在先进制造、精准医疗、无损检测等方面开展应用。

  2019年11月16日,由广东省科学技术协会、广东省科学技术厅共同主办的2019年《岭南科学论坛·双周创新论坛》系列活动之《量子信息与传感技术科学论坛》在广州举行。活动旨在集聚权威专家资源,探讨我国量子精密测量与传感技术领域的前沿与热点问题。在此论坛上,“国家智能测控系统产业计量测试联盟”宣告成立。

精密测量与量子传感器技术的概念及应用

论坛活动现场,资料图

  量子传感技术可在广东哪些产业中优先应用?

  广州、深圳等城市该如何发展量子传感技术?据了解,目前,广东省科技厅已设立量子技术专项,包括原创研究、产业应用等。在广东广州、深圳等地的优势产业方面,根据量子技术的特点,在先进制造、精准医疗、无损检测等方面开展应用。

  与会专家表示,信息技术的发展已经进入了量子信息技术时代,包含了量子通信、量子传感、量子计算。量子通信、量子计算相对于经典通信、传统计算已表现出更高效、更安全、信息量大、远距离传输等特点。量子传感器相比于经典传感器,在灵敏度、准确率和稳定性上都有了大的飞跃。量子传感性能的提高,将给精密测量与传感技术带来革命。

精密测量与量子传感器技术的概念及应用

著名的激光干涉仪引力波天文台(LIGO),资料图

  如何进一步提高测量精度?

  人类社会的发展进程从某种意义上就是测量技术不断进步的过程。测量技术的核心就是追求更高的精度。当前,最精密的测量仪器是激光干涉仪引力波天文台(LIGO)。利用它,人类首次观测到了引力波事件,代表了人类当前最高的测量本领。如何进一步提高测量精度,科学家们不约而同地把目光聚向基于量子力学的量子精密测量技术。

  一般情况下,可通过两种方式来提高测量精度。

  第一种是制备和利用分辨率更高的“尺子”。例如从早期的用手或者脚等的长度作为尺子,到目前通常使用的游标卡尺甚至是激光尺子等,人类对空间尺度的测量精度得到了大大的提高;

  第二种方式是通过多次重复测量减少测量误差,提高测量精度。根据数学上的中心极限定理我们知道,重复N次(N远大于1)独立的测量,其测量的结果满足正态分布,而其测量的误差就可以达到单次测量的1/ √N 。因此,测量精度也就提高到单次测量的√N 倍。这也就是我们经常说的经典力学框架下的测量极限——散粒噪声极限。

  量子传感与量子传感器的概念

  近年来,人们发现利用量子力学的基本属性,例如量子相干、量子纠缠、量子统计等特性,可实现突破经典散粒噪声极限限制的高精度测量。因此,基于量子力学特性,实现对物理量进行的高精度测量称为量子精密测量或者量子传感。

精密测量与量子传感器技术的概念及应用

两个球面镜之间的离子用作光粒子的量子传感器,资料图

  在量子传感中,电磁场、温度、压力等外界环境,直接与电子、光子、声子等体系发生相互作用,并改变它们的量子状态。最终,通过对这些变化后的量子态进行检测,实现外界环境的高灵敏度测量。而利用当前成熟的量子态操控技术,可进一步提高测量的灵敏度和精度。因此,这些电子、光子、声子等量子体系就是一把高灵敏度的量子“尺子”——量子传感器。

        简单来说,与蓬勃发展的生物传感器一样,量子传感器由产生信号的敏感元件和处理信号的辅助仪器两部分组成,其中敏感元件是传感器的核心,它利用的是量子效应 。随着量子控制研究的深入,对敏感元件的要求将越来越高,传感器自身的发展也有向微型化、量子型发展的趋势,量子效应将不可避免的在传感器中扮演重要角色,各种量子传感器将在量子控制、状态检测等方面得到广泛应用。

  更重要的是,量子纠缠还可进一步提高测量灵敏度。如果让N个量子“尺子”的量子态处于一种纠缠态上,外界环境对这N 个量子“尺子”的作用将相干叠加,使得最终的测量精度达到单个量子“尺”的1/N。该精度突破了经典力学的散粒噪声极限,并提高了√N 倍,是量子力学理论范畴内所能达到的最高精度——海森伯极限。

  现阶段,已经在光子、离子阱和超导等物理系统中构造该最大纠缠态,实现了对相位测量等物理量测量的实验演示,突破了经典测量极限,逼近或达到海森伯极限。而在数年前,激光干涉仪引力波天文台就利用光子的压缩态实现了噪声的压制,完成了突破经典极限的相位测量,该方案也是下一代激光干涉仪引力波天文台的重要测量方式。

  量子传感还可抵抗特定噪声干扰

  作为新兴的研究领域,量子传感是量子信息技术中除量子计算、量子通信以外的重要组成部分。量子传感除可突破经典力学极限的超高测量精度之外,还可利用量子关联来抵抗一些特定噪声的干扰。

  当前,利用电子、光子、声子等量子体系已经可实现对时间(频率)、电磁场、温度、压力、惯性等物理量的高精度量子测量,实验演示了量子超分辨显微镜、量子磁力计、量子陀螺等,并应用在化学材料、生物医学等相关学科研究中。随着相关技术的逐渐成熟,未来几年即将实用化的量子传感技术,将在国计民生方面得到广泛应用。

参与评论已发布评论0

0/500

发表评论

推荐阅读