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)驗室。

美國陸軍于2020年開發(fā)的一種可以探測整個無線電頻譜通信信號的量子傳感器

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近日，德國航空航天中心（DLR）量子技術(shù)研究所所長Kai Bongs、英國量子傳感和計時技術(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)化的五個優(yōu)先事項，以使其更快地走出實(shí)驗室。

量子傳感器利用原子和光子的基本特性來測量世界。粒子的量子態(tài)對環(huán)境極為敏感，這對傳感來說是個優(yōu)點(diǎn)，但對于制造量子計算機(jī)來說則是個問題。使用粒子作為探針的量子傳感器可以比設(shè)計或基于化學(xué)或電信號的傳統(tǒng)設(shè)備更精確地量化加速度、磁場、旋轉(zhuǎn)、重力和時間的流逝。它們可以被用來制造更小、更精確的原子鐘、透過煙霧或繞過拐角觀察的相機(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)驗室中開發(fā)量子傳感器的研究人員渴望讓政府和產(chǎn)業(yè)界更多地意識到其可能帶來的好處——尤其是在改善依賴于傳感器的國家關(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，卻面臨著不少障礙。

一個挑戰(zhàn)是很難準(zhǔn)確預(yù)測新興技術(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)勢的量子計算機(jī)不同，量子傳感器已經(jīng)在實(shí)驗室中投入使用。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量時間的流逝。它們的準(zhǔn)確性保持了通信和能源網(wǎng)絡(luò)以及數(shù)字無線電臺的同步。它們對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年的時間。現(xiàn)在，量子研究群體需要建立類似的途徑來實(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)化的五個優(yōu)先事項，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)新者很少會因為僅僅證明了一個概念的實(shí)驗室結(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)的財務(wù)狀況。研究人員需要確保任何進(jìn)入市場的傳感器都是穩(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)計該技術(shù)。而每一次調(diào)整都會帶來新的挑戰(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，這些都可以通過傳統(tǒng)的重力儀觀測到，但地面振動使得測量時間過長，通常一個數(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，為重力測繪開辟了新可能。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更大的系統(tǒng)中才能實(shí)現(xiàn)其價值。例如，慣性傳感器——一種檢測運(yùn)動的傳感器——本身是相對無用的。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，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，量子加速度計和旋轉(zhuǎn)、重力和磁場的傳感器可以被組合成海底和地下使用的定位、導(dǎo)航和計時系統(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)電場和石油鉆井平臺的管道、電纜和基礎(chǔ)。

雖然學(xué)術(shù)研究人員可以開發(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)界簽訂大量的長期研究和開發(fā)合同。例如，21世紀(jì)初，美國國防高級研究計劃局（Defense Advanced Research Projects Agency）通過一個涉及學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的專門開發(fā)計劃，為在十年內(nèi)制造出芯片級原子鐘提供了幫助。

建立數(shù)據(jù)需求

來自傳感器的原始數(shù)據(jù)需要轉(zhuǎn)換成對特定任務(wù)有用的信息。例如，雖然量子磁場傳感器可以檢測到與大腦神經(jīng)活動模式相關(guān)的微小磁場，但是大腦活動的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

盡管許多國家已經(jīng)開始協(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)十年的時間。為了加快速度，需要一個協(xié)調(diào)量子傳感器研究項目的策略。

德國、日本、荷蘭、英國和美國在內(nèi)的一些國家已經(jīng)建立了研究中心和大型項目，通過集聚專業(yè)知識和提供與產(chǎn)業(yè)界及其他合作伙伴互動的門戶，來協(xié)調(diào)學(xué)術(shù)界和國家對量子技術(shù)的需求。然而，總的來說，傳感器在國家量子技術(shù)計劃中并沒有得到應(yīng)有的關(guān)注，只有少數(shù)例外，比如德國Baden Württemberg州的QuantumBW計劃，該計劃明確關(guān)注量子傳感。

政府需要出臺政策和法規(guī)來支持量子傳感器的創(chuàng)新，其中一個重點(diǎn)是加強(qiáng)關(guān)鍵國家基礎(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。

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