近年來，量子傳感器越來越受歡迎，可用于不同的安全關鍵行業(yè)。本文定義了量子傳感器背后的概念、其歷史、部署這些傳感器的當前廣泛應用以及它們面臨的挑戰(zhàn)。

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考慮一個 n 維空間中的系統(tǒng)。在這個系統(tǒng)中，一個量子態(tài)將是一個向量，它將包含關于該系統(tǒng)的所有信息。

量子態(tài)的好處是系統(tǒng)可以同時處于不同的狀態(tài)。由于這些量子“環(huán)境”經(jīng)常因干擾而發(fā)生變化，因此使用量子傳感器來測量和監(jiān)控它們的行為。

歷史 

已知量子傳感器記錄可以在 1600 年代找到，當時伽利略使用自己的脈沖并將其與比薩大教堂的鐘擺擺動相匹配。他觀察到，每一次心跳都標志著一個特定的時間已經(jīng)過去。他的心跳幾乎與鐘擺的一次擺動相匹配。 

滴答率和時間的概念是這項研究的基礎，并產(chǎn)生了原子鐘。在原子鐘中，原子的自然振蕩就像鐘擺一樣。唯一的區(qū)別是原子的振蕩具有更高的頻率和穩(wěn)定性。原子鐘完全準確，長達一億年的誤差僅為1秒。

量子傳感器的另一種用途可以在原子干涉儀中找到，它利用原子的量子力學性質(zhì)——包括質(zhì)子和中子。原子干涉儀的概念很簡單：它利用空間中兩個波之間的干涉來進行測量。這個想法，通常被稱為干涉測量，通常用于電信、導航、成像和建筑。

干涉儀背后的關鍵思想是重力影響原子物質(zhì)波的相移，其中這種相移會產(chǎn)生干涉圖案的修改。因此，通過測量原子引力的變化，可以間接測量重力。

為了實現(xiàn)這一點，激光被用來照亮原子。如果原子吸收來自激光的光，它會導致動量增加，因此，原子將遵循它原本打算遵循的單獨路徑。一旦光被吸收并且原子的干涉圖案重新組合，由此產(chǎn)生的差異為我們提供了兩條路徑的引力強度。

軍方起初使用原子干涉儀，因為全球定位系統(tǒng) (GPS) 等系統(tǒng)在未開發(fā)的位置出現(xiàn)故障。該技術隨后被用于水下石油和天然氣勘探以及海底研究。

量子傳感器的應用

由于其潛在的好處，量子傳感器已被部署在廣泛的關鍵操作中�？稍偕�能源、核能和地熱能等領域一直在采用量子傳感器進行應用。

例如，在核電站中，已經(jīng)部署了量子傳感器來幫助核能輸出。原子干涉量子傳感器等設備正被用于檢測核電站中的同位素。這些極其敏感的設備不僅可以檢測同位素中的輻射量，還有助于遠程監(jiān)測核電站的輻射安全。

就維護制造基礎設施而言，量子傳感器用于檢測設備的早期故障，以獲得未來的性能診斷報告。這種方法已經(jīng)用基于狀態(tài)的維護取代了傳統(tǒng)的基于時間的維護實踐，從而降低了總體成本并大限度地減少了設備故障。

量子傳感器也越來越多地部署在輸電網(wǎng)中，即所謂的“智能電網(wǎng)”，傳感器在其中監(jiān)控和分析性能。還測量了電力線中的溫度損失、應變和應力等因素，這些因素是確定電力損失的有用指標。這些傳感器接收到的輸入有助于電網(wǎng)制造商提高電網(wǎng)效率。

最近，量子傳感器已廣泛用于開發(fā)智能建筑。量子傳感器全天準確監(jiān)測每棟建筑的能源使用情況，并據(jù)此監(jiān)測建筑的通風、供暖和照明等功能。這有助于降低建筑物的整體能源消耗，從而消耗更少的資源。 

量子傳感器的未來是什么樣的？

盡管測量精度很高，但量子傳感器仍然容易產(chǎn)生不同類型的噪聲，從而阻礙了它們在許多應用中的使用。一個阻礙因素是缺乏可用于在實驗室環(huán)境之外實際感測參數(shù)的硬件。 

這些限制在研究和實際環(huán)境之間造成了領域差距。將量子傳感器擴展到工業(yè)水平也具有挑戰(zhàn)性，因為傳感器主要是為實驗室操作而設計的。

諸如量子相干性等因素，伴隨著環(huán)境損失和噪聲，也阻礙了量子系統(tǒng)的信噪比，例如計量應用中使用的那些。

隨著全球對能夠準確測量參數(shù)的設備的需求增加，量子傳感器可能會進一步應用于各個領域。

雖然這些傳感器面臨許多挑戰(zhàn)，但增加的研究和工業(yè)興趣肯定會支持它們的發(fā)展。