想象一下，未來我們將生活在一個所有智能設(shè)備及機器人都可以由人類思想控制的世界里。據(jù)Bosch Quantum Sensing預(yù)計，20年后，量子傳感器將能夠測量大腦信號并將其轉(zhuǎn)化為機械動作。

據(jù)麥姆斯咨詢介紹，Bosch Quantum Sensing是一家隸屬于博世（Bosch）的初創(chuàng)公司，正在開發(fā)靈敏度比當前MEMS傳感器高1000倍的磁場量子傳感器。該公司的目標是為下一代腦機接口（BCI）制造量子傳感器，據(jù)Bosch Quantum Sensing估計，從長遠來看，下一代腦機接口的市場規(guī)模每年將超過50億美元。EE Times Europe近期采訪了Bosch Quantum Sensing首席執(zhí)行官Katrin Kobe博士，雙方探討了基于金剛石的量子傳感器在導(dǎo)航、電動交通以及醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用前景。

處理單個量子態(tài)

量子傳感器可以分為兩代。第一代考慮的是量子態(tài)的統(tǒng)計系統(tǒng)，而第二代考慮的是經(jīng)專門處理的單個量子態(tài)。從第一代量子傳感器過渡到第二代量子傳感器，并實現(xiàn)對單個量子態(tài)的操縱，用了20年的時間。Kobe以電子自旋為例說：“把電子放在一個定義明確的自旋中。一旦與環(huán)境發(fā)生關(guān)聯(lián)，自旋就會翻轉(zhuǎn)。我們可以測量自旋翻轉(zhuǎn)，這意味著可以測量環(huán)境中極小的信號或變化?！?/p>

量子傳感器能以極高的靈敏度測量各種物理特性，包括溫度、磁場和旋轉(zhuǎn)。Bosch一直在開發(fā)兩種類型的量子傳感器，一種是量子磁強計，用于高精度測量極小的磁場，還有一種是量子陀螺儀，用于跟蹤微小的旋轉(zhuǎn)運動。目前，Bosch Quantum Sensing正專注于研究基于金剛石氮空位（NV）中心的量子磁強計。

超靈敏、微型化

目前有多種方案可以制造量子磁強計。例如，超導(dǎo)量子干涉器件（SQUID）是一種高靈敏度的磁強計，可測量極其細微的磁場變化?！暗枰愣ǖ蜏?，并且體積龐大?！盞obe說。

其它選擇還有利用激光捕獲及操縱單個原子的光學(xué)阱，以及利用極化自旋系統(tǒng)的進動來測量磁場的氣室磁強計?！暗鈱W(xué)阱通常使用笨重的光學(xué)元件制造。而使用氣室時，需要特定的溫度，因此必須對其加熱，而且會受到尺寸的限制?！盞obe指出。

為了獲得不受SQUID、光學(xué)阱或氣室磁強計限制的高靈敏度量子磁強計，需要探索一種替代方案（例如金剛石中的原子缺陷）。

完美無瑕的金剛石僅由碳元素組成。一個氮原子及相鄰碳原子的缺失造成了缺陷。而正是這些“氮空位中心”，對磁場的細微變化高度敏感。

“Bosch Quantum Sensing研究人員既在研究氣室，也在研究金剛石中的氮空位中心?！盞obe說，“然而，作為一家初創(chuàng)公司，我們專注于研究氮空位中心金剛石。因為它們具有獨特的賣點，它們的靈敏度極高，體積更小，堅固耐用，并且可在室溫下使用。此外，還具有很高的空間分辨率和極寬的測量范圍?！?/p>

由于需要許多組件，因此構(gòu)建一個具有氮空位中心的量子傳感器并非易事，如下圖所示。但這項技術(shù)有望通過提高靈敏度和微型化來解鎖新應(yīng)用。

圖1 利用金剛石中氮空位中心制造量子磁強計需要很多組件

非侵入性腦機接口

傳感器越小，帶來的好處越多。2022年初，Bosch Quantum Sensing展示了一款實驗室規(guī)模的量子磁強計裝置。“9個月后，我們將磁強計縮小到鞋盒大小。去年年初，我們又將其縮小到牛奶盒大小。如今，它已縮小到手機大小。”Kobe介紹說。

Kobe稱：“我們的目標是縮小到火柴盒大小，但目前還沒有確定的時間表。我們現(xiàn)在已經(jīng)開始與客戶進行試點，可能會有比尺寸更重要的其它要求?？梢钥隙ǖ氖?，火柴盒大小是下一步的目標，從長遠來看，我們希望將其微型化到可以集成到芯片上?！?/p>

Bosch Quantum Sensing聲稱其量子傳感器原型現(xiàn)在只有手機大小

磁強計的商業(yè)化將經(jīng)歷一個循序漸進的過程。Bosch Quantum Sensing將在未來幾年內(nèi)確立醫(yī)療和移動領(lǐng)域的試點客戶并與之合作。隨后再進行批量生產(chǎn)。磁強計的市場化還將取決于應(yīng)用。

Kobe說：“我們的長期目標是腦機接口，讓人們只用意念就能控制事物。但我們預(yù)計這些應(yīng)用在2035年之前應(yīng)該還不會落地。還有其它一些應(yīng)用，我們認為可以在這十年內(nèi)實現(xiàn)商業(yè)化?！?/p>

這些應(yīng)用包括：

- 利用地球不變的磁場在空中、道路、水上及水下導(dǎo)航；

- 在電動交通工具中，精確測量電流磁場以及電池準確的充電水平；

- 磁心電圖儀等醫(yī)療應(yīng)用，可以長時間測量心臟的自然磁場，提供比現(xiàn)在的心電圖儀更多的數(shù)據(jù)。當前的心電圖通過電極直接作用于皮膚，如果電極滑落，測量結(jié)果就會不準確。相比之下，量子傳感器可以整合到衣服或床墊中，從而在家中進行長期監(jiān)測。

構(gòu)建生態(tài)系統(tǒng)

Kobe非常關(guān)心量子傳感器行業(yè)的現(xiàn)狀。她說：“在各種會議上，人們都在談?wù)摿孔佑嬎愫兔艽a學(xué)，只有一小部分在討論量子傳感?！?/p>

不過，Kobe并不認為量子傳感的相對熱度反映了市場機會的缺乏。每個人都在談?wù)摿孔佑嬎悖@在業(yè)界是一個非常重要的主題。但是，如果進一步關(guān)注風險投資，就會發(fā)現(xiàn)量子傳感領(lǐng)域的投資正在增長。這是一項更加成熟的技術(shù)，量子傳感公司比量子計算公司更接近市場。

政府和風險投資是量子技術(shù)能否迅速進入市場的良好指標。根據(jù)英國知名研究公司IDTechEx的數(shù)據(jù)，在量子計算、傳感和通信領(lǐng)域的政府支出幾乎是平分秋色的，而私人投資則更多地集中在量子計算領(lǐng)域。這可能會減緩量子傳感技術(shù)的商業(yè)化進程，因為許多與器件制造和微型化相關(guān)的挑戰(zhàn)，取決于投資巨大的專用制造設(shè)施。

量子傳感生態(tài)系統(tǒng)仍處于起步階段，建立一個完整的生態(tài)系統(tǒng)至關(guān)重要。在Bosch Quantum Sensing的案例中，拼圖的起點是金剛石，然后是圍繞金剛石的光學(xué)元件、靜態(tài)磁場、可調(diào)微波發(fā)生器以及信號處理。Kobe表示：“我們需要了解客戶的需求，需要產(chǎn)品設(shè)計、應(yīng)用know-how以及生產(chǎn)工藝、能力和設(shè)施?！?/p>

她呼吁相關(guān)方立即采取行動，因為現(xiàn)在還沒有穩(wěn)定的高品質(zhì)金剛石生產(chǎn)，還沒有可以直接采購的靜態(tài)磁場。通過各種會議，我們可以看到這個行業(yè)確實在向商業(yè)化邁進，但還有很長的路要走。

Kobe說，建立強大的生態(tài)系統(tǒng)對于歐洲在未來幾年保持競爭力至關(guān)重要。歐洲和美國都投入了巨資，但我們不應(yīng)忽視中國，因為中國的投資有些是非公開的。目前，我們與美國一起處于領(lǐng)先地位，但我們不能在量子生態(tài)系統(tǒng)建設(shè)方面掉以輕心。

盡管量子計算硬件的市場規(guī)模仍將占據(jù)主導(dǎo)地位，但IDTechEx認為，量子傳感器的市場化將在未來10年內(nèi)帶來規(guī)模優(yōu)勢。IDTechEx預(yù)測，隨著量子傳感器在電動汽車、GPS導(dǎo)航、醫(yī)學(xué)成像和量子計算等領(lǐng)域的應(yīng)用，預(yù)計到2044年，全球量子傳感器市場規(guī)模將增長至71億美元。

背后的Bosch

“我們的目標很明確?！盞obe說，“未來幾年，我們將與客戶一起進行試點，并進入市場。我們希望在量子傳感市場中扮演重要角色。我們可以依靠博世的堅實背景，Bosch在微型化、大批量、高質(zhì)量生產(chǎn)方面經(jīng)驗豐富?！?/p>

Bosch Quantum Sensing于2022年初從博世分離出來成為一家獨資公司。因此，該公司可以像初創(chuàng)公司一樣靈活運作，同時擁有母公司的資源?！拔覀儾皇情_發(fā)全新的傳感器、想法或概念?！盞obe說，“所有的基礎(chǔ)研究都是在Bosch的研究部門完成的，他們成功完成概念驗證，然后交給我們，我們再把它做成產(chǎn)品。我們的重點是確定一種能讓客戶受益的應(yīng)用?！?/p>

Bosch Quantum Sensing是繼Bosch Sensortec之后的又一家獨立子公司，后者成立于2005年，致力于開拓消費級MEMS市場。現(xiàn)在，博世每天為移動解決方案和消費電子產(chǎn)品生產(chǎn)超過400萬顆MEMS傳感器。

在兩年的時間里，Bosch Quantum Sensing已經(jīng)建立了一支由30人組成的團隊，其中包括物理學(xué)家、醫(yī)生、生物學(xué)家、工程師、業(yè)務(wù)開發(fā)經(jīng)理和具有商業(yè)背景的產(chǎn)品經(jīng)理。Kobe說：“吸引人才是業(yè)務(wù)發(fā)展的關(guān)鍵。人才是一個現(xiàn)實問題，我們一直在爭取最好的人才。受限于現(xiàn)有的人才資源，我們的發(fā)展并不容易。不過，與其它分支相比，量子傳感器非常有吸引力。”

本文源自EE Times Europe，麥姆斯咨詢編譯。