2026年5月20日——量子计算机备受关注，尽管它们尚未准备好投入实际应用，但量子传感器已经发挥着重要作用。这些传感器能够测量微弱到会被普通背景噪声淹没的场、力和运动。部分传感器已投入日常使用，而另一些则正从研究实验室走向飞行测试、医院和现场仪器。

例如，人脑产生的磁信号范围在飞特斯拉到皮特斯拉之间——比冰箱磁铁的磁场弱数十亿倍——远弱于普通房间内的磁噪声。这就是测量这些信号的脑部扫描仪需要超灵敏探测器和强磁屏蔽的原因。在一些医院，这些探测器利用量子技术，在无需接触大脑的情况下，帮助在癫痫手术前绘制大脑活动图。

量子传感器也出现在其他领域，包括在GPS信号受到干扰或欺骗时的导航、通过绘制重力图来揭示地下结构，以及增强天文学家测量引力波的能力。我是一名光子学和量子技术研究员。我的实验室应用物理学原理来开发一系列设备，包括量子传感器。

什么是量子传感器？

传感器将一种物理效应——温度、压力、光、加速度或磁场——转化为一个数字。大多数传感器使用工程部件来实现这一点：弹簧、线圈或计算机芯片。但随着时间的推移或温度升高，这些部件可能会发生漂移或变得不那么精确。

量子传感器使用一个微小的量子系统作为“活性成分”，它与外界相互作用以测量物理量。最常见的量子系统选择是原子、电子自旋和超导电路。

原子有一组固定的能级，就像梯子上的横档。光或微波只能在精确频率下将其在这些能级之间移动。磁场、运动或重力可以改变这些频率或改变原子波的相位，传感器将这种变化转化为测量值。

自旋是电子的一种固有属性，使它们表现得像是一个旋转陀螺和条形磁铁的无限小的结合体。使用自旋作为传感器意味着测量磁场如何导致自旋“摆动”。自旋就像一个旋转的陀螺，磁场就像你轻轻触碰陀螺的手指。陀螺摆动的程度反映了你对陀螺施加力的强度，这类似于测量磁场强度。

另一种类型的量子传感器是超导电路，这是一种冷却到极低温度以至于电流可以无电阻流动的电路。超导量子干涉装置（SQUID）就是一个超导环路。这个电路环路对磁场中的微小变化非常敏感，这些变化会记录为设备电信号的可测量变化。

大多数量子传感器遵循一个三步循环：制备一个已知的量子态，让外界扰动它，然后读出变化。许多设备在两个量子系统之间形成类似波动的干涉图案，类似于两个重叠的涟漪在池塘上形成图案的方式。这些设备测量这种图案如何随着设备周围环境的变化而改变。

量子传感器的优势

量子传感器并不自动在所有方面都更好，它们仍然依赖于经典工程。但它们提供了以下三个优势：

• 它们天生均匀。同种原子是相同的，因此感测元件从一个设备到另一个设备是一致的，并且比许多制造部件更不易发生漂移。
• 它们对微小扰动有响应。一个小的场就能以可测量的方式改变量子态——如果设备能够充分屏蔽干扰或噪声的话。
• 工程师可以重塑噪声。像“压缩”光这样的技术并不能消除噪声，但它们可以将不确定性从测量最关键的部分移开。

磁性：从脑部扫描到芯片调试

量子传感器的一个成熟例子是临床脑成像方法，称为脑磁图（MEG）。MEG测量大脑活动产生的磁场，并用于研究和临床，包括在手术前绘制癫痫活动区域和重要大脑区域。它通常使用与屏蔽室内SQUID耦合的传感器。

将激光照射通过一个微小的原子腔，将原子云转变为一个能够检测大脑极弱磁场的传感器。Brookes et al Trends in Neurosciences, CC BY

较新的磁力计可能不需要像SQUID那样极端冷却。美国国家标准与技术研究院（NIST）已经开发出在室温下工作的芯片级原子磁力计。NIST和其他研究团队正在探索将其用于生物医学领域，因为它们无需SQUID所需的低温冷却设备，就能测量来自大脑和心脏的微弱场。在一个例子中，研究人员报告了使用光泵磁力计阵列进行胎儿心脏测量，并讨论了将这些室温传感器作为通向比固定低温装置更灵活系统的途径。

氮空位中心是另一种可用作传感器的量子系统。它依赖于钻石中的一种特定“瑕疵”：一个氮原子位于一个缺失碳原子造成的空位旁边。这种缺陷表现得像一个量子自旋，可以用光制备，受磁场扰动，并通过计数发射的光子来读出。

氮空位中心传感器并非设计用于进行全头脑部扫描。它们的优势在于精细的空间分辨率：它们可以在数十纳米（即十亿分之一米）的尺度上绘制磁场图。这有助于对微小磁性结构进行成像、研究材料，甚至绘制微波和电子设备（如计算机芯片）中的电流图。

运动：在卫星信号不可信时的导航

当卫星导航信号被阻挡或不可信时，导航会退回到加速度计和陀螺仪，就像你智能手机里的那些。挑战在于漂移：微小的误差会随时间累积。冷原子传感器提供了一条不同的途径。在普通的加速度计中，当你加速时，传感器内部的一个小物体会滞后。在原子干涉仪中，一团激光冷却的原子扮演了这个角色，它们的物质波以取决于加速度和旋转的方式发生干涉。

这些量子导航系统尚未成为标准设备。但一些机构和公司正在测试它们，因为它们可以在卫星信号微弱、被阻挡或欺骗时提供备份。欧洲空间局已将“超灵敏”量子传感器描述为可能的辅助导航工具，同时指出挑战在于使其在实验室外可靠且稳健。英国政府也公开将量子导航技术的飞行试验描述为一种额外的弹性层。

重力：揭示水、矿物和空洞的地图

NASA正在开发一种量子重力传感器，以改进像这样显示地球不同位置重力强度差异的地图。

重力传感使用相关的物理学原理。如果你能测量不同地点重力的微小变化，你就能推断出地下的隐藏结构。NASA的喷气推进实验室正在开发量子重力梯度仪探路者，这是一种基于空间的量子传感器，旨在绘制与地下特征（如含水层和矿藏）相关的细微重力变化。

这种重力传感器仍在开发中。该系统将使用两团超冷铷原子云作为测试质量。冷却到接近绝对零度时，原子的行为像波。该仪器将比较两个原子波的加速度。在两个云团位置感应到的微小差异指向由隐藏质量引起的重力异常。

观测宇宙：“压缩”光以击败量子噪声

科学界一些最著名的传感器测量的是难以置信的微小距离变化。诸如激光干涉引力波天文台（LIGO）这样的引力波天文台通过将一束激光分成两束，沿着一对2.5英里长（4公里长）的直角轨道行进，并在末端镜子上反射回来来实现这一点。当由遥远宇宙事件（如两个黑洞合并）引起的引力波穿过设备时，两束光的传播时间会略有不同。

这就是量子增强传感。天文台测量距离变化，但量子物理学设定了其噪声极限之一。量子噪声会限制这些仪器的工作效果。LIGO报告称，它使用“频率依赖压缩”，一种减少量子噪声的方法，来帮助探测器探测更大范围的宇宙，并找到比LIGO升级前多约60%的合并事件。

不足之处

量子态很脆弱。振动、杂散场和温度波动可能会破坏干涉图案或扰乱自旋状态。这就是为什么许多最灵敏的设备仍然使用真空室、激光器和屏蔽的原因。

在微小信号至关重要的领域，量子传感器已经在工作中：时钟、医院和天文台。下一步是让这些传感器更小、更便宜、足够坚固，以便能在专业实验室之外工作。