克服量子传感器发展的主要障碍

尼尔斯·玻尔研究所（Niels Bohr Institute，NBI）的研究人员已经消除了基于量子技术的极灵敏监测设备开发的一个关键障碍。

监测未出生婴儿的心跳和其他类型的精密医学检查显示了量子传感器的潜力。由于这些传感器利用原子尺度上的现象，它们可以比今天的传感器更准确。

哥本哈根大学尼尔斯·玻尔研究所（NBI）的研究人员成功克服了量子传感器开发的一个主要障碍。他们的研究结果发表在《自然·通讯》上。

所有生命过程都涉及磁场和组织电导率的微小变化。量子传感器可以检测到这些极小的变化。然而，一个关键的挑战是如何区分感兴趣的信号和各种类型的噪声。NBI小组致力于解决这个问题。

实验装置示意图

科学文章的主要作者、NBI的尤金·波利克教授说：“量子传感器已成为纳米技术的首批应用之一。我们的发现使这些传感器更接近应用。我预计我们将在几年内看到第一个实际应用”。

除了心脏异常外，还可以检查其他几种可能的异常。所有这些，在患者不受干扰的情况下。许多其他检查，如脑监测，可以通过量子传感器实现或改进。

聆听量子世界的喧嚣

原子、电子和光子的行为由量子力学描述。粒子不仅具有给定的物理性质，而且存在于特定的状态中。量子传感方法首先准备光的量子态，用于读取信号。光的量子态被发送到与探测量子系统相互作用，该探测量子系统受到想要检测的力或场的影响。相互作用后，光携带测量量的信息，可以高精度地检测到。

波利克解释说：“量子探测系统的工程设计必须量身定制，以适应感兴趣的信号。这是量子传感面临的主要挑战之一，因为很难完全消除不必要的噪声。”

即使在消除传统噪声源（如房间内的电子设备等）之后，量子力学的影响仍然存在。与传统的物理学不同，量子力学将以概率函数的形式给出粒子的量子态和其他属性，或者如果你愿意的话，也可以说是不确定性。

量子噪声的一个来源是与光粒子（光子）到达探测器的不确定性相关。这被称为散粒噪声。

此外，随着光子将动量传递给探测传感器，相互作用本身也是量子噪声的来源。这被称为量子反作用。

在他们的科学文章中，该团队展示了一种“听到”来自量子世界的噪声的方法，从而可以将其消除，从而保留真正感兴趣的信号。

未来在天体物理学中的应用

除了用于医学检查，磁量子传感器还可能应用于其他领域。一个例子是引力波探测。宇宙引力波的存在最初是由阿尔伯特·爱因斯坦在理论上描述的，现在已经得到很好的证实。

然而，由于引力波的信号相对于其他类型的宇宙信号较弱，现有的引力波监测方法需要改进。

磁量子传感器与引力波天线相结合，可能是应对监测引力波挑战的答案，从而有助于更深入地了解宇宙的起源和发展。

相关链接：https://phys.org/news/2023-11-major-obstacle-quantum-sensor.html