量子计算机虽然还没准备好投入主流，但它们已经开始发挥作用，但量子计算机已经开始发挥作用。这些传感器测量的场、力和运动非常微小，以至于普通背景噪音能淹没它们。有些传感器已经被日常使用，而另一些则从研究实验室转向飞行测试、医院和野外仪器。

例如，人脑产生的磁信号强度为飞天石到皮科特斯拉波段——比冰箱磁铁弱数十亿倍，远弱于普通房间的磁噪声。这就是为什么测量这些信号的脑部扫描仪需要超灵敏的探测器和强磁性屏蔽。在一些医院，这些探测器利用量子技术帮助在癫痫手术前绘制大脑活动图谱，且不触及大脑。

量子传感器也出现在其他领域，包括导航中GPS信号扰或伪造、绘制引力以揭示地下环境，以及提升天文学家测量引力波的能力。

什么是量子传感器？

传感器将物理效应——温度、压力、光线、加速度或磁场——转化为数字。大多数传感器通过工程部件实现这一点：弹簧、线圈或计算机芯片。但这些数据会随着老化或变暖而漂移或变得不那么准确。

量子传感器使用一个微小的量子系统作为“活性成分”，与世界相互作用以测量物理量。量子系统最常见的选择是原子、电子自旋和超导电路。

原子有固定的能级，就像梯子上的梯级。光或微波只能在这些能级之间以精确频率移动它。磁场、运动或引力可以改变这些频率或原子波的相位，传感器将这种变化转化为测量值。

自旋是电子内在的特性，使它们像旋转陀螺和条形磁铁之间的微小交叉体。使用自旋作为传感器意味着测量磁场如何使自旋“摆动”。旋转就像陀螺，磁场就像你的手指轻轻触碰陀螺。顶部晃动的程度反映了你触摸顶部的力度，这类比测量磁场强度。

另一种量子传感器是超导电路，这是一种通过极低温度冷却的电路，使电流无阻力地流动。超导量子干涉装置，简称SQUID，是一种超导环路。该电环对磁场的微小变化非常敏感，磁场会被记录为器件信号中可测量的变化。

大多数量子传感器遵循三步循环：它们准备已知的量子态，让世界推动它，然后读取变化。许多器件在两个量子系统之间形成波状干涉图样，类似于两个重叠的涟漪在池塘上形成图案。设备测量该模式如何随着周围环境的变化而变化。

量子传感器优势

量子传感器并非在所有方面都更优秀，它们仍然依赖经典工程。但它们带来了三个优势：

• 它们天生是均匀的。同类原子相同，因此感应元件在不同器件间保持一致，且比许多制造零件更不易漂移。

• 它们会对细微的推动做出反应。一个小场可以以可测量的方式改变量子态——前提是器件有足够的屏蔽，避免干扰或噪声。

• 工程师可以重新塑造噪声。像“挤压”光这样的技术不能去除噪声，但可以将不确定性从测量中最重要的部分转移开。

磁性：从脑部扫描到芯片调试

一个成熟的量子传感器例子是临床脑成像方法，称为磁脑图（MEG）。MEG测量脑活动产生的磁场，广泛应用于研究和临床，包括在手术前绘制癫痫活动和重要脑区的地图。它通常使用与SQUID连接的传感器，安装在屏蔽房间内。

较新的磁力计可能不需要像SQUID那样极端的冷却。美国国家标准与技术研究院（NIST）开发了在室温下运行的芯片级原子磁力计。NIST和其他研究团队正在探索它们用于生物医学工作，因为它们可以在无需SQUID所需的低温冷却设备的情况下测量大脑和心脏的弱磁场。例如，研究人员报告了使用一组光学泵动磁力计测量胎儿心率，他们讨论这些室温传感器是通往比固定低温系统更灵活系统的途径。

氮空中心是另一种可用作传感器的量子系统。它依赖于钻石中的一个特定“缺陷”：一个氮原子位于缺失碳原子的缺口旁边。该缺陷类似于量子自旋，可以用光准备，受磁场扰动，并通过计数发射光子读取。

氮空位中心传感器并非设计用于进行全脑扫描。它们的优势在于精细的空间分辨率：能够绘制数十纳米或十亿分之一米范围内的磁场。这可以帮助成像微小的磁性结构、研究材料，甚至绘制微波和电子设备（如计算机芯片）中的电流图谱。

运动：当卫星信号不可靠时的导航

当卫星导航信号被阻挡或不信任时，导航会依赖加速度计和陀螺仪，比如你智能手机中的那些。挑战在于漂移：随着时间推移，微小的错误会逐渐积累。冷原子传感器则提供了不同的路径。在普通加速度计中，传感器内的小物体在你加速时会落后。在原子干涉仪中，一团激光冷却的原子云承担这一角色，其物质波以依赖加速度和旋转的方式干涉。

这些量子导航系统尚未成为标准设备。但各机构和公司正在测试它们，因为它们可以在卫星信号微弱、被阻挡或被伪造时提供备份。欧洲航天局将“超灵敏”量子传感器描述为可能的辅助导航工具，同时指出挑战在于使其在实验室外的可靠性和稳健性。英国政府还公开表示，量子导航技术的飞行试验是增强韧性的一层。

重力：揭示水、矿物和虚空的地图

重力感测使用相关的物理原理。如果你能测量到不同地点之间微小的重力变化，就能推断出地下隐藏的结构。美国宇航局喷气推进实验室正在开发量子重力梯度仪先导器，这是一种基于空间的量子传感器，旨在绘制与地下特征如含水层和矿床相关的细微重力变化。

该重力传感器仍在开发中。该系统将使用两团超冷铷原子云作为测试质量。在接近绝对零度的冷却下，原子表现得像波一样。仪器会比较两种原子波的加速度。在两团云的位置感应到一个细微差异，表明隐藏质量导致引力异常。

看见宇宙：“挤压光线以战胜量子噪声

一些最著名的科学传感器测量的距离变化极其微小。引力波观测站如激光干涉引力波观测站（LIGO）通过将激光束分割，沿两条长约2.5英里（4公里）的轨迹呈直角飞行，并在两端的镜面反射回来实现这一目标。当由遥远宇宙事件引起的引力波（如两个黑洞合并）通过该装置时，两束光束的传播时间略有不同。

这就是量子增强的传感技术。天文台测量距离变化，但量子物理设定了其噪声极限之一。量子噪声会限制这些仪器的工作效果。LIGO报告称，它采用了“频率依赖挤压”——一种减少量子噪声的方法，帮助探测器探测到更大的宇宙体积，发现比LIGO之前多约60%的合并。

问题所在

量子态很脆弱。振动、杂散磁场和温度波动可以冲淡干涉图样或扰乱自旋态。这也是为什么许多最敏感的设备仍然使用真空腔体、激光和屏蔽。

量子传感器已经在微小信号重要的地方发挥作用：钟表、医院和天文台。下一步是让这些传感器更小、更便宜，并且足够坚固，以便在专业实验室外工作。