量子傳感器成功測量不可見場域，準備進軍實際應用領域

儘管全球正專注於量子計算的下一步發展，但量子傳感器卻因成功測量以前無法檢測的場和力量而引起了巨大關注。從腦電波到引力波，量子傳感器已成功檢測到這兩者，並正在準備在實驗室之外運行。量子傳感器是如何工作的呢？物理傳感器通常使用一個工程部件，例如彈簧、線圈或甚至計算機晶片，將某一參數轉換為數字。因此，無論是測量温度、壓力、光或磁場，傳感器都可以在有限範圍內提供其存在的量度。

量子傳感器的工作原理與此相似，但它所使用的不是工程部件，而是原子、電子自旋或超導量子比特來測量物理量。大多數量子傳感器遵循三步驟循環。首先，它們準備一個已知的量子狀態，然後讓物理參數改變它，最後在第三步中測量變化。根據傳感器使用的是原子、電子還是量子比特，原始量子狀態可以是已知的能量水平、電子自旋或電環。

量子傳感器在醫學成像中的應用越來越廣泛

與物理傳感器不同，物理傳感器的讀數因温度或長期使用而變得不準確，量子測量因所用材料的一致性而更加均勻，對被監測參數的微小變化也極為敏感。量子傳感器的應用範圍現已擴展到現代醫學，利用腦部活動產生的磁場進行腦部成像。通常，此成像使用能夠捕捉到皮法或飛法範圍內的磁場的傳感器，這些磁場的強度甚至低於冰箱磁鐵。這是通過屏蔽傳感器以避免其他磁場的幹擾來實現的。然而，美國國家標準與技術研究所（NIST）開發的一種新型原子級磁力計不僅能在室温下運行，還能測量心臟的磁場。

在一項實驗中，NIST 的研究人員使用他們的原子級設備測量了胎兒心臟的參數。

原子干涉儀有望成為 GPS 的替代方案

當今的世界在導航方面高度依賴 GPS 信號。從國際旅行到本地食物配送，GPS 無處不在。隨著 GPS 信號失效或被屏蔽的後果日益嚴重，科學家希望使用加速度計和陀螺儀作為備用方案。雖然這些傳感器現在甚至在我們的智能手機中都已存在，但它們易出錯，並隨著時間的推移累積誤差。問題的解決方案是原子干涉儀，其中一團激光冷卻的原子有助於減少這些誤差。儘管這項技術仍在開發中，但英國和歐洲已將其納入應對 GPS 無法使用的韌性計劃中。

量子傳感器的穩定性仍需改進以應對日常環境

儘管量子傳感器的使用逐漸增加，但量子狀態相當脆弱，容易受到影響。例如，量子噪聲會影響 LIGO 儀器在檢測引力波時的工作效果。因此，科學家使用頻率依賴的壓縮來減少量子噪聲。在其他傳感器中，會使用真空室、屏蔽和其他激光來保持量子傳感器的穩定性。目前的研究仍在進行，以使量子傳感器變得更小、更便宜，並且足夠堅固，以便在日常環境中無需特殊保護即可部署。