量子技术传感器技术（量子传感器使用）

量子技术传感器技术（量子传感器使用）原子如何提供帮助？就像太阳和地球一样，我们周围的事物也有引力——尽管要小得多。像花岗岩脉这样的致密物质将比空的地铁隧道具有更大的引力。从地面上测量时，差异可能很小，但足够精确的传感器可以检测到它。在最初的《侏罗纪公园》中，古生物学家使用了一些未定义的虚构技术来构图隐藏在地下的恐龙骨骼的图像。这个场景有点荒谬，但它确实帮助我们理解了一个工具的影响，它让我们无需挖掘就能看到地下。这样的技术可能无法帮助我们找到令人惊讶的完整恐龙骨骼，但它可以帮助我们找到许多其他东西 - 废弃的矿井，管道或电缆，含水层以及各种地下不规则性。在开始挖掘之前了解地下的位置可以帮助公司在从地铁到摩天大楼的建设过程中节省数百万美元。退相干是量子通信的一个主要课题。当量子粒子与环境中的物体相互作用时，就会发生这种情况 - 例如，光纤电缆的边缘 - 导致它们的波函数崩溃。退相干的发生是因为量子态对环境非常敏感。这是量子通信的

量子纠缠可能仍然令人毛骨悚然，但它有非常实用的一面

• 量子系统和量子纠缠可以帮助我们仔细感知环境，并以无与伦比的精度对其进行测量。
• 量子传感器本质上是观察粒子如何与其环境相互作用。
• 量子纠缠可能仍然是神秘的，但它也有非常实用的一面

人类对量子科学的应用可能只是刚刚开始

精度，也是测量中的一个重要因素。在某些情况下，测量的高精确度至关重要。知道如何精确测量位置可以让GPS帮助您导航你想去的地方，更精确的测量引导航天器降落在火星上。

改进的测量可以帮助我们做更多的事情，了解更多。这就是可以使用量子系统和纠缠的地方。它们可以帮助我们仔细感知环境并以无与伦比的精度进行测量。

额外的感官力量

退相干是量子通信的一个主要课题。当量子粒子与环境中的物体相互作用时，就会发生这种情况 - 例如，光纤电缆的边缘 - 导致它们的波函数崩溃。

退相干的发生是因为量子态对环境非常敏感。这是量子通信的一个问题，但在传感方面实际上是一个好处。它们对环境微小变化的反应正是量子传感器如此精确的原因，使它们能够达到我们以前从未梦想过的精度。

量子传感器本质上是观察粒子如何与其环境相互作用。有不同类型的量子传感器可以测量各种各样的东西——磁场、时间、距离、温度、压力、旋转和许多其他可观测物。随着我们更详细地了解量子传感器的工作原理，我们可以进一步理解它们的力量以及它们如何影响我们的生活。

地质研究

在最初的《侏罗纪公园》中，古生物学家使用了一些未定义的虚构技术来构图隐藏在地下的恐龙骨骼的图像。这个场景有点荒谬，但它确实帮助我们理解了一个工具的影响，它让我们无需挖掘就能看到地下。这样的技术可能无法帮助我们找到令人惊讶的完整恐龙骨骼，但它可以帮助我们找到许多其他东西 - 废弃的矿井，管道或电缆，含水层以及各种地下不规则性。在开始挖掘之前了解地下的位置可以帮助公司在从地铁到摩天大楼的建设过程中节省数百万美元。

原子如何提供帮助？就像太阳和地球一样，我们周围的事物也有引力——尽管要小得多。像花岗岩脉这样的致密物质将比空的地铁隧道具有更大的引力。从地面上测量时，差异可能很小，但足够精确的传感器可以检测到它。

伯明翰大学的一个小组使用原子作为量子传感器，说明了这种传感器的精确程度。他们将两个原子放在引力场中，给一个原子一点向上“踢”。这个原子在重力作用下又落了下来。因为粒子可以充当波，所以两个原子相互阻碍，产生干涉图案。原子波的两个波峰可能对齐，造成相长干涉。或者，波峰可能与波谷对齐，造成破坏性干扰。重力的微小差异将改变原子的干涉模式，从而允许在引力场中进行微小的测量。

这不仅可以让我们知道脚下是什么，还可以帮助我们预测火山何时爆发。岩浆填充火山下的空室会改变当地的重力。分布在火山上的传感器可能能够感知到何时充满腔室，并希望在喷发前发出预警。

无与伦比的量子时间

原子钟是量子传感器的另一个例子，可以产生极高的精度。这些时钟依赖于原子的量子性质。首先，原子中的所有电子都有一定的能量。想象一下电子以一定距离绕原子核运行。电子只能在由高度特定的能级隔开的离散状态下运行。为了从一个能级转移到另一个能级，电子可以吸收精确频率的光子向上移动，也可以发射光子向下移动。当电子改变其在原子周围的能量状态时，原子钟就会起作用。

目前，美国的标准时间是由美国国家标准与技术研究院的铯原子钟确定的。这个时钟是如此精确，以至于它在1亿年内既不会增加也不会失去一秒钟。为了如此精确地测量时间，时钟使用激光束以极其精确的光频率照射铯原子，将它们的电子跃迁到更高的水平。激光频率的精确校准是获得时间的原因。（频率是时间的倒数）

如果我们的原子不是自己工作，而是相互纠缠，我们可以做得更好。2020年，麻省理工学院的一个团队使用纠缠原子制作了一个原子钟。这个时钟的准确性确实令人振奋：它在宇宙的年龄上只损失了100毫秒。

从很小到很大

量子传感器可以让我们的望远镜和显微镜向我们展示更多。

通常，当我们考虑探索宇宙时，我们会想象一个收集光子的望远镜 - 无论是光学，红外线还是无线电。但我们也可以利用引力波探索宇宙。

当一对黑洞合并或超新星爆炸时，空间和时间本身的结构就像池塘上的涟漪一样被拉伸和挤压。我们可以使用干涉仪检测这些涟漪，它可以精确地比较两个垂直方向的距离。为了测量这一点，仪器沿每个轴发送一束光。光束从镜子上反弹，返回光源并重新组合，形成干涉图案。如果来自引力波的涟漪在一个方向上通过干涉仪，它可能会被稍微拉伸，而从另一个方向它会受到挤压，导致干涉图案发生变化。这种差异很小，但它表明引力波的通过。

在这里，纠缠光子再次可以提供优势。干涉仪的测量能力受到光束内光子到达时间差异的限制。简而言之，一些光子比其他光子更早到达探测器。通过将纠缠光子和一种称为“光子挤压”的技术与海森堡不确定性原理相结合，我们可以减少这些光子到达时间的传播，而牺牲另一个可观测光子。使用这种方法，像LIGO和Virgo这样的干涉仪可以检测到比原子核小10万倍的振动。

量子从奥妙到应用是科学家的新课题

挤压光也有助于提高显微镜的灵敏度。为了使显微镜工作，光线必须照亮主体。当光从样品反射并返回显微镜时，光子到达时间的随机性会引入噪声。通常，这种所谓的散粒噪声可以通过增加亮度来降低。但在某些时候，光的强度实际上会损坏样品，特别是如果它是某种生物组织。澳大利亚昆士兰大学的一个研究小组表明，使用纠缠光子并挤压它们可以提高显微镜的灵敏度，而不会破坏样品。

测量是关于更深入地了解我们的环境。无论是温度、电场、压力还是时间，这些测量都不仅仅是数字。它们是关于理解这些数字的含义以及如何使用小的变化。量子传感器可用于MRI和没有GPS系统的导航。它们可以帮助自动驾驶汽车更好地感知环境，科学家预测火山爆发。量子纠缠可能仍然是神秘的，但它也有非常实用的一面