正如理論上量子計算機可以找到傳統計算機無法解決的問題的答案，量子傳感器也可以将靈敏度和準确度提高到一個新的水準。
在一項新的研究發現中，科學家們展示了他們研制的量子重力傳感器（一種涉及超精密量子技術的重力傳感器——更确切地說，是一種利用量子重力的傳感器），這種傳感器可以幫助測繪出埋藏在地下的特征，顯示内容的精細化程度前所未有。
量子技術依賴于量子效應，而量子效應的出現是由于宇宙在微觀世界裡變得模糊。例如，疊加态的量子效應使得原子和宇宙的其他組成部分基本上可以同時向兩個相反的方向旋轉，或者同時存在于兩個或更多的地方。通過将許多量子比特組成疊加态，量子計算機理論上可以同時進行巨量的計算。
就像量子計算機一樣，量子傳感器也是以對外界幹擾非常敏感。然而，量子傳感器也能夠利用這種敏感來檢測環境中的微小幹擾，并在很多領域彰顯其潛在應用價值，如醫藥、納米技術、通信和衛星導航。
英國伯明翰大學的研究人員已經測試了一種便攜式量子傳感器，作為一種超精密的重力測量裝置——在伯明翰附近的一個地質景點——普爾洞穴(Poole’s Cavern)的地下洞穴中進行測試 | 參考文獻[1]
例如，在去年11月，英國和德國的科學家透露，他們的磁傳感器可以協助非侵入性檢測大腦活動中的磁場變化，這些變化由神經元激活時産生。這個裝置中包含一種被雷射照射的铷原子氣體，當這些原子在磁場中經曆變化時，它們會釋放出不同的光。已經證明量子傳感器可以比腦電圖（Electroencephaloram, EEG）或功能磁共振成像掃描器（Functioanl Magnetic Resonace Imaging scanner，fMRI scanner）更精确，時間和空間分辨率精确到毫秒和幾毫米。這一傳感器現在可以通過英國的 Cerca Magnetics 公司進行商業購買。
另一種很有前景的量子傳感器則利用了鑽石中的缺陷。完美的鑽石是由純碳組成的，但有時候鑽石内部會存在少量氮原子，造成缺陷。這種“氮空位缺陷”在非常弱的磁場附近擁有能夠吸收綠光并發射紅光子的電子。科學家可以利用這一特性來幫助建立分子的3D 圖像以便更好地進行分析，這在制藥行業可能有潛在價值。
現在，英國的科學家已經開發出一種新的重力測繪量子傳感器。他們說這種傳感器能夠在實驗室外進行其他方法無法媲美的地下掃描測繪。他們在近期的《自然》雜志上詳細闡述了他們的發現。
論文截圖
任何有品質的東西都有一個引力場，可以吸引物體。場強度取決于物體的品質。由于地球的品質并不是均勻分布的，這意味着地球的引力在某些地方更強，而在另一些地方更弱。
幾十年來，研究人員一直在分析地球引力場強度的變化，以繪制大規模的地質活動圖，比如地表下翻騰的岩漿，冰川的融化，或者大地震等會使地球變形的活動。然而，使用這種以米為尺度的重力制圖很具有挑戰性，因為需要很長的測量時間來應對局部噪音，比如說附近交通活動引發的振動噪音。
“我們的是第一個真正在室外工作的，它居然敏感到能找到隧道的程度。”伯明翰大學的Kai Bongs介紹道。
該小組的新重力傳感器使用了大約1億個铷原子組成的雲，将它們冷卻到比絕對零度高出百萬分之二到三攝氏度時，傳感器通過分析铷原子雲下落的速度推斷出地球引力的局部強度。
這個雷射原子阱包含了一個過冷的铷原子雲，可以對它們的重力位移進行超精确的測量，為該裝置的探地雷達傳感奠定了基礎 | 參考文獻[1]
具體來說，雷射脈沖驅動原子進入疊加态，兩種形式的原子沿着略微不同的軌迹下落。這些薛定谔的貓狀态的原子随即會被重新組合。然後，由于波粒二象性（粒子可以像波一樣行動，反之亦然的量子現象），這些原子量子力學地互相幹涉，它們的波峰和波谷互相增強或抑制。分析這種幹涉的性質可以揭示出在它們分離的路徑上感受到的微妙的引力作用差異。
傳感器采用沙漏配置，裝置的每一半都有一團铷原子雲，垂直分隔1米。是以，該傳感器可以在同一地點的兩個不同高度上測量地球重力的強度。通過比較這些铷原子雲的資料，研究人員可以解釋各種各樣的噪音來源，如振動、熱場和磁場的變化、雷射的随機性以及傳感器的傾斜。
在實驗中，該傳感器可以探測到埋在英國伯明翰市兩座多層建築物之間的路面下約0.5米的2 × 2米的公用隧道。它可以在15分鐘内收集10個資料點。
“我們團隊開發的沙漏裝置是一個飛躍，并最終促成了這一先進的測繪技術。”研究的共同資深作者，伯明翰大學的量子實體學家凱·邦斯（Kai Bongs ）解釋道。
佛羅倫薩大學（University of Florence）的實驗實體學家尼古拉·波利（Nicola Poli）在對這項新研究的評論中說，這種新裝置的靈敏度大約是目前報道的最好的重力量子傳感器的三十分之一。然而，未參與這項新研究的波利（Poli） 指出，這種新裝置的優點在于它能在實驗室外的真實環境中發揮作用。
“這種量子技術之前已經在世界各地的實驗室得到了驗證，但這些儀器不适合在戶外運作，容易受到環境影響,”邦斯（Bongs）說，“我們的是第一個真正在室外工作的，而且仍然足夠敏感，可以找到隧道。”
背包大小的重力傳感器 | 參考文獻[1]
這種傳感器有很多潛在的應用價值。在土木工程中，它可以看到隐藏的地下結構，如隧道、礦井和天坑，以減少施工風險。在采礦業，它可以幫助發現地下自然資源。在考古學中，它可以在不破壞挖掘的情況下發現地下的秘密。它還可以幫助監測岩漿在火山下的流動，以警告潛在的火山爆發和地下水水位和流動，以幫助改善洪水模型。
班格斯（Bongs）指出，這種傳感器還不能建立特别精細的圖像，例如，檢測在房子裡的人。由于分辨率太低，這一點尚且無法做到。
科學家們現在正在開發一種背包大小的量子重力傳感器，可以在移動平台上使用。研究人員設想，他們的裝置最初将被用于一種“停停走走”的測繪方式，即停下來測量一個點的地球引力，然後移動到鄰近的一個點。進一步的發展趨勢可能會使重力制圖與傳感器“在一個不斷移動的平台上。”邦斯（Bongs）說。
參考文獻
[1] https://spectrum.ieee.org/quantum-sensors-gravity-birmingham
編譯：綠洲
編輯：酥魚
排版：尹甯流
題圖來源：《奪寶奇兵》