量子领域经常被描绘成奇怪而模糊，远离我们的日常世界。亚原子粒子可以同时在许多地方通过称为缠结的紧密连接在很远的距离上连接。但研究人员现在正在利用这种量子模糊性来构建一套新的实用工具。

虽然量子计算机获得了最多的头条新闻，但传感器领域的一场更为安静的革命可能同样具有深远意义。量子态，例如电子自旋，具有独特的精致性，可用于检测重力和磁力的微小变化，开辟了一系列应用，可以让我们更清楚地看到脚下的世界并提供深层洞察我们自己的生物学。

由于激光和冷却系统等组件的不断进步，研究人员和工程师可以操纵原子的量子态并测量它们受环境影响的方式，这已成为可能。 “我们处在这个可以充分控制量子系统的最佳位置，”负责量子传感器和计量中心（ 1 ）的Kai Bongs说，这是一个以英国伯明翰大学为中心的学术界和工业界的合作。

目前用于保存冷原子的一些大型真空系统和磁阱正在被芯片级器件取代，而研究人员正在开发可以使量子传感器更容易获得的紧凑型低功率激光器。 “早期的设备仍然很笨拙，但现在我们可以开始迭代，使它们更小，更便宜，更易于使用，更强大，”Bongs说。

基础国家

世界各地的大学和公司正在利用量子力学的复杂性来完成许多任务，例如使用量子陀螺仪进行导航，但目前最大的两个目标是磁场和引力场。

量子引力传感器的巨大回报是获取埋藏基础设施的微妙信号。伯明翰大学土木工程教授妮可梅杰说：“每当你破土动工时，你遇到的第一件事就是埋藏的危险 - 基础，管道等等。”挖洞找到这些障碍可能非常耗费时间，因此透过地面识别下方的内容会更有效率。探测地面电导率的探地雷达和探测器已经提供了有限的地下视野，但是它们很难发现小的深埋物体：直径为1米的充水管道在5以上时无法探测到例如，米。导电土壤，例如湿粘土，也阻挡了许多这些方法。

重力不受这种屏蔽效应的影响。质量会产生重力，因此密度低于周围环境的任何空腔或物体都会导致局部重力的微小减小。

现有的重力仪基于悬挂在弹簧上的小质量，并且地面振动会使读数混乱。测量员很少使用这种技术，因为每次测量可能需要几分钟才能消除这些振动。

在伯明翰大学开发的量子重力仪应该能够做得更好。他们使用激光和磁场来捕获并在真空室内移动一团冷铷原子。根据量子力学，每个原子都由波函数描述 - 一个振荡的数学函数，它决定了在给定位置和状态中找到原子的概率。为了进行重力测量，激光首先将每个原子置于称为叠加的混合量子态，这允许它同时具有稍低和更高的能量。然后激光使云有一个踢，使得波函数的高能量一半从低能量半部向上移动几厘米。然后另一次踢动将两半再次移回到一起，使得波函数重叠并相互干扰，就像两个会聚的海浪组一样。

每个云的引力势能影响其波函数，因此花费更多时间更高时间的云的振荡频率低于徘徊在下方的云。当它们重新组合并干扰时，这会使两种能量状态的比率发生偏差。用激光束测量该比率可以发现重力强度（ 2 ）。

“量子技术的美妙之处在于我们远离其物理极限。”

- 启邦

称为梯度计的仪器使用两个不同高度的单独云来执行这些测量，以找到重力场中的梯度。这样可以使仪器消除振动的影响，因此可以在几秒钟而不是几分钟内进行测量。

Bongs说，最大的挑战是让这些量子系统在不受控制的环境中在实验室外工作。但是伯明翰大学的研究小组在2018年成功地对一台名为Gravity Imager的原型梯度仪进行了现场测试，并且还有更敏感的版本。这应该能够发现埋在水中的管道，其深度是现有技术可以管理的两倍。该团队还希望在无人机上安装较小版本的设备。

量子重力传感器还可以击败现有方法扫描考古遗址，探索矿产资源，监测火山活动，寻找可以安全储存二氧化碳的地下岩层，以及调查含水层以帮助管理水资源。 “我们的目标是更快地进行调查，并可能看到我们目前看不到的东西，”Metje说。

脑电波

虽然重力传感器有望探测地球，但量子磁传感器具有各种不同的目标。金刚石形状微观传感器的晶体结构缺陷，可以放置在样品研究人员附近，甚至可能监测单个细胞的电磁活动。被称为玻色 - 爱因斯坦凝聚体的超冷原子的集体状态可能探测先进材料和微电子学（参见核心概念：玻色 - 爱因斯坦凝聚物如何继续揭示奇怪的物理学， https：//www.pnas.org/content/114/23/5766 ） 。也许最有趣的是量子装置已经在某些方面比其他方法更好地探测人类大脑。

该扫描仪基于光泵磁力仪（OPM），其含有铯或铷原子的蒸气。每个原子的单个外部电子具有自旋，使其像小磁棒一样产生磁场，并且激光束可以使所有这些自旋指向相同的方向。来自外部的任何磁场都会改变这种固定状态，使旋转在一种称为岁差的运动中摆动。这会影响激光，提供一种测量磁场的方法。

OPM现在足够灵敏，可以探测大脑。所有电流都会产生磁场 - 即使是在神经元之间流动的弱电流 - 而被称为脑磁图（MEG）的技术旨在检测这些微弱的磁场以监测大脑活动。过去，MEG只能通过使用需要用液氦冷却的超导探测器来实现。这使得扫描仪昂贵且笨重，这意味着探测器不能非常靠近患者的头骨。这是至关重要的，因为大脑已经微小的磁场随着距离迅速消失，这使得扫描较小的儿童头部特别困难。

2018年，英国诺丁汉大学的一个团队展示了一台原型MEG扫描仪，该扫描仪使用的是由位于路易斯维尔，科罗拉多州的QuSpin公司制造的OPM。研究人员将这些OPM中的13个放入3D打印的头盔中。佩戴者的头部使传感器位于头骨的几毫米内。当受试者伸出他或她的手指时，扫描仪在运动皮层中显示出明显的活动，揭示了在几毫秒的时间尺度上大脑区域的活动仅几毫米的变化（ 3 ）。这种组合不能与具有较低空间分辨率的脑电图（EEG）或功能性MRI相匹配，其只能在几秒或更长的时间尺度上看到变化。

英国伦敦大学学院的研究人员计划使用该系统研究儿童癫痫，取代脑电图，这可能涉及将电极连接到大脑的高度侵入性手术。诺丁汉大学项目负责人马特布鲁克斯说，未来，OPM磁强计的高灵敏度，高空间和时间分辨率可用于研究各种疾病，包括痴呆和帕金森病。他还认为该技术可以使研究人员通过童年追踪大脑发育。 “在我们走路，说话，阅读之前和之后，根本会发生什么变化？”布鲁克斯说。 “这是一个巨大的科学问题，你无法用现有的技术来解决这个问题。”儿童难以扫描，因为他们的头很小，而且他们经常移动（参见内部工作：静坐，科学， https：// www.pnas.org/content/113/8/1960 ），但这两个问题都是通过可穿戴式扫描仪解决的。

量子如何？

在哥本哈根，由Eugene Polzik领导的一个小组已经将磁力计推向了下一个量子水平。激光将原子团缠绕在一起，使它们处于共同的量子态，在这种状态下，它们的自旋强烈相关（ 4 ）。该相关可用于减少通常存在于量子状态中的随机抖动。实际结果是减少噪音，使磁力计更加敏感，并能够监测身体深处的活动，例如，在大脑的海马体中。调节心跳的电信号也产生磁场，可以通过纠缠磁力计（ 5 ）拾取磁场。 “我希望测量胎儿的心跳，由于难以进入，医生很少这样做，”最近从波尔齐克集团搬到诺丁汉大学的Kasper Jensen说道。

量子传感器正处于商业现实的边缘，并且凭借如此年轻的技术，仍有很大的改进空间。例如，量子重力仪最终可以使灵敏度提高一百万倍，Bongs说：“量子技术的美妙之处在于我们远远不是它的物理极限。”