预测：量子传感器有望在医疗和航空航天领域实现精准测量

Q-CTRL 的 Ironstone Opal 使用软件增强的量子传感器，将测量到的地球磁场和引力场变化与地图进行比较。在这个例子中，一架飞机的路径被增强了，白色虚线中显示的是沿着 Ironstone Opal 路径的真实路径。如红色虚线所示，GPS 路径被否定。

量子计算在加速商业化的过程中受到了广泛关注，同时，量子传感器在各种用例中也取得了具有潜力的收益。

在最近的一份报告中，研究公司 IDTechEx 探讨了新兴量子传感器市场的未来，预计到 2045 年将达到 2.2亿美元，复合年增长率为 11.4%，部分原因是“炒作不断升温以及与其他量子技术的协同发展”。该研究公司预测，量子计算和通信的增长将有助于推动对量子传感器领域的兴趣和投资。

量子传感器区别于雷达和激光雷达等其他传感器的决定性特征是其灵敏度，因此能够测量多种物理特性，包括电场、磁场、电流、重力、线性加速度和角加速度以及光等等。

在接受采访时，IDTechEx 的技术分析师 Noah El Alami 表示，量子传感器的特性使其适用于广泛的应用领域，包括电动汽车、无 GPS 导航、医学成像、通信和量子计算，因为磁力计和单光子探测器等量子传感器将随着量子计算机的复杂性和量子比特数量的增加而扩大量子计算机的规模。

与距离商业化至少需要五年时间的量子计算不同，量子传感器已经在现实世界中得到应用，El Alami 说，但技术准备情况因用例而异。“一些技术已经商业化并已得到广泛使用。”

目前已经有数百万个芯片级隧道磁阻 （TMR） 传感器用于汽车行业的远程电流传感，而使用光泵磁力计（OPM）的生物磁成像技术虽然显示出潜力，但还处于更早期的开发阶段。El Alami 说，量子传感器的范围很广，包括从早期的投机研究阶段到全面商业化。

El Alami 说，虽然灵敏度是量子传感器的关键区别因素，但什么是量子传感器并不像计算机那样一目了然，但其原理是一个系统被量子化到能以极其灵敏、难以置信的低尺度测量事物的程度。他说，量子传感器系统可以使用由激光控制并悬浮在气体中的原子、超导系统或金刚石中的氮空位传感器。

使用量子传感器而非经典传感器的最大优势在于其高灵敏度。"我们说的不仅仅是两倍的灵敏度。它的灵敏度通常要高出几个数量级，甚至是几百或几千倍。"El Alami 说。

通常情况下，我们的目标是使用最便宜的元件来降低整个系统的成本，这对于量子传感器来说是一个挑战，这就是为什么它们被用于需要极其灵敏的磁传感器的地方，例如监测来自心脏或大脑的电信号，El Alami 说。“大脑和心脏中的电信号非常微弱，以至于你无法用不如量子传感器灵敏的东西来测量。”他说。“你看到的是高端应用的优质产品。”

他说，这意味着你不太可能看到量子传感器出现在消费电子产品中。根据它们的制造方式，量子传感器可能对噪声和干扰很敏感。基于植入了味醂原子的人造金刚石的传感器可能适用于汽车或制造应用，甚至比使用半导体的经典传感器更坚固。

El Alami 表示，如今量子传感器正在推进的两个主要领域是医疗和导航。就后者而言，其吸引力是在于 GPS 攻击的增加，这意味着飞机或轮船无法正确导航。

对于量子传感器导航来说，软件与硬件同样重要，Q-CTRL 首席执行官 Michael Biercuk 在接受采访时表示。他说，量子传感技术商业化的最大障碍是在实验室中有效的东西在现实世界中通常不起作用。“我们的重点是通过硬件和软件的组合来解决这个问题，以克服挑战。”

Q-CTRL 制造的磁力计通过软件增强，可以在没有 GPS 的情况下进行导航，Biercuk 说：“启用新形式的 GPS 导航耗费了我们大部分的精力。”

传统上，量子传感开发的重点一直放在硬件上，将其做得更小更好。他说：“我们先从软件入手，然后开始决定如何改变硬件、如何简化硬件以及如何通过软硬件的共同设计来增强硬件。”

Biercuk 说，对于将 GPS 攻击视为主要战略威胁的政府、国防、商业航空和航运业客户来说，考虑到他们希望降低的安全风险，量子传感技术的成本是物有所值的。“他们将不遗余力地解决所遇到的难题。”

虽然 Q-CTRL 提供的是高端解决方案，但他表示，这些解决方案的价位跨度很大。

使用量子传感器的磁导航的工作原理与无人机的类似，都是通过识别地标来实现的。“我们现在正在识别磁性地标，但为了完成这项工作，你必须提取非常非常小的磁性特征，”Biercuk 说。

在金属飞机上，量子磁力计可能会受到干扰，Q-CTRL 通过软件解决了这个问题。

虽然量子传感器比较昂贵，但它们并不总是奢侈品，Biercuk 说，它们在灵敏度和稳定性方面具有优势。量子传感器的 “高光时刻 ”在于其输出不会随时间发生显著变化。这意味着它们不会出现 “漂移”，他说。“漂移是几乎所有高端应用的杀手。”

Biercuk 说，量子传感也是被动的，这使得它更安全。“它不会像多普勒雷达或 LIDAR 那样发出信号。在商业航运情况下，您可能不在乎，但如果它是一个国防航空平台，您就不想泄露您的位置。”

Alphabet 的子公司 SandboxAQ 也在开发用于导航和医疗应用的量子传感器。工程副总裁 Stefan Leichenauer 表示，量子技术并不新鲜，核磁共振成像技术就是量子传感技术。他在接受采访时说，公司目前正在探索的是下一个前沿领域。

2019 年，Sandbox 着手解决世界头号杀手——心血管疾病，方法是利用量子传感器进行心磁图，测量心脏磁场。Leichenauer 说，这样做的好处是，这些磁场可以不受任何阻碍地在人体内传播。

然而，目前的挑战在于量子传感器价格昂贵，而且还没有发展到可以微型化并毫无阻碍地应用于医院工作流程的阶段，Leichenauer 说。“它们的成本要么高得令人望而却步，要么占地面积很大。这就是我们正在努力解决的问题。

他补充说，传感器的棘手之处在于，如果它们能工作，它们就能挑选出你想要和不想要的东西。“在噪音过大的情况下，你只能大海捞针。”

Leichenauer 说，在现实世界的环境中，例如医疗保健，可用性至关重要。“它需要对使用它的临床医生友好。”他补充说，医疗保健也受到严格监管。“你需要进行大量的临床研究。”

一个应用领域的进步可以使其他领域受益，CTRL-Q 的 Bierchuk 指出。“技术之间存在大量的知识转移。”他说，该公司开发的软件可用于生物医学应用领域。

尽管一直以来量子传感器吸引了大量关注和投入，Biercuk 表示，CTRL-O的演示表明量子保障导航系统能够超越最佳的GPS替代方案，这是自40年前原子钟发明以来，该技术迎来的首个重要里程碑。

“量子传感一直是一个需要大量探索的领域，”他说。“它具有巨大的潜力，而且已经进行了大量投资，主要是在研究层面。”