從地下勘探到腦科學和空中交通控制，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）量子技術研究所所長Kai Bongs、英國量子傳感和計時技術中心主任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，但對于制造量子計算機來說則是個問題。使用粒子作為探針的量子傳感器可以比設計或基于化學或電信號的傳統(tǒng)設備更精確地量化加速度、磁場、旋轉、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、用于繪制地下結構圖的裝置，以及許多其它潛在的應用。量子傳感器將變革從能源、土地使用和運輸?shù)结t(yī)療保健、金融和安全等眾多應用領域，但是其商業(yè)前景需要得到更多的重視。

在科研實驗室中開發(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鍵基礎設施的安全性方面，例如空中交通控制系統(tǒng)和供水設施等。然而，研究人員在獲得關注和資金以使量子傳感器應用于現(xiàn)實世界時，卻面臨著不少障礙。

一個挑戰(zhàn)是很難準確預測新興技術將如何以及在何處被采用。物理學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)領袖——認為量子技術將應用于未來的設備，而不是現(xiàn)在的設備。與受到大量媒體關注但可能需要數(shù)十年才能提供廣泛商業(yè)優(yōu)勢的量子計算機不同，量子傳感器已經(jīng)在實驗室中投入使用。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。它們的準確性保持了通信和能源網(wǎng)絡以及數(shù)字無線電臺的同步。它們對GPS等衛(wèi)星導航服務至關重要。

即便如此，GPS接收器從軍方、精通技術的徒步旅行者和船長使用的專業(yè)設備發(fā)展到為智能手機和汽車提供導航，還是用了20年的時間?，F(xiàn)在，量子研究群體需要建立類似的途徑來實現(xiàn)其它類型量子傳感器的商業(yè)效益。

以下將依次強調量子傳感器商業(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驗室結果而興奮。他們想知道一款設備能否在特定的應用中可靠地工作，并且有利于他們企業(yè)的財務狀況。研究人員需要確保任何進入市場的傳感器都是穩(wěn)定且可靠的，可以重復制造且具有成本效益，并與其它正在使用的系統(tǒng)兼容。在實踐中，這可能意味著需要從許多方面重新設計該技術。而每一次調整都會帶來新的挑戰(zhàn)。

找到需要量子傳感器的應用

研究人員需要與商業(yè)領袖溝通，以確定量子傳感器如何在一系列的應用中增加價值。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注的。

將量子傳感器集成到當前系統(tǒng)中

任何傳感器都必須集成到一個更大的系統(tǒng)中才能實現(xiàn)其價值。例如，慣性傳感器——一種檢測運動的傳感器——本身是相對無用的。但當它與智能手機中的電子器件、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、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、導航和計時系統(tǒng)。在這一應用中，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)的情況下即可實現(xiàn)米級精度的導航。這種能力將有助于勘探海底資源，以及保護和維護海上風力發(fā)電場和石油鉆井平臺的管道、電纜和基礎。

雖然學術研究人員可以開發(fā)出具有合適性能的量子傳感器，但產(chǎn)業(yè)界需要引領這一系統(tǒng)集成階段。現(xiàn)有的學術資金流太小，無法支持這種合作研究。為了實現(xiàn)這一目標，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世紀初，美國國防高級研究計劃局（Defense Advanced Research Projects Agency）通過一個涉及學術界和產(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)需要轉換成對特定任務有用的信息。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)展基礎水平的量子技術，但在采用和利用方面仍然是分散的。由于許多研究團隊各自獨立工作，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)調學術界和國家對量子技術的需求。然而，總的來說，傳感器在國家量子技術計劃中并沒有得到應有的關注，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，其中一個重點是加強關鍵國家基礎設施的管理和安全。

政府還需要采取舉措，讓從組件制造商到系統(tǒng)集成商的公司與學術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，然后迅速擴大生產(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現(xiàn)出色的性能，但問題是：誰將引領世界讓這些優(yōu)勢落地？