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量子传感器简介
来源:赛斯维传感器网 发表于 2022/3/24

近年来,量子传感器越来越受欢迎,可用于不同的安全关键行业。本文定义了量子传感器背后的概念、其历史、部署这些传感器的当前广泛应用以及它们面临的挑战。

图片来源:baivector/shutterstock.com


考虑一个 n 维空间中的系统。在这个系统中,一个量子态将是一个向量,它将包含关于该系统的所有信息。


量子态的好处是系统可以同时处于不同的状态。由于这些量子“环境”经常因干扰而发生变化,因此使用量子传感器来测量和监控它们的行为。


历史 

已知量子传感器记录可以在 1600 年代找到,当时伽利略使用自己的脉冲并将其与比萨大教堂的钟摆摆动相匹配。他观察到,每一次心跳都标志着一个特定的时间已经过去。他的心跳几乎与钟摆的一次摆动相匹配。 


滴答率和时间的概念是这项研究的基础,并产生了原子钟。在原子钟中,原子的自然振荡就像钟摆一样。唯一的区别是原子的振荡具有更高的频率和稳定性。原子钟完全准确,长达一亿年的误差仅为1秒。


量子传感器的另一种用途可以在原子干涉仪中找到,它利用原子的量子力学性质——包括质子和中子。原子干涉仪的概念很简单:它利用空间中两个波之间的干涉来进行测量。这个想法,通常被称为干涉测量,通常用于电信、导航、成像和建筑。


干涉仪背后的关键思想是重力影响原子物质波的相移,其中这种相移会产生干涉图案的修改。因此,通过测量原子引力的变化,可以间接测量重力。


为了实现这一点,激光被用来照亮原子。如果原子吸收来自激光的光,它会导致动量增加,因此,原子将遵循它原本打算遵循的单独路径。一旦光被吸收并且原子的干涉图案重新组合,由此产生的差异为我们提供了两条路径的引力强度。


军方起初使用原子干涉仪,因为全球定位系统 (gps) 等系统在未开发的位置出现故障。该技术随后被用于水下石油和天然气勘探以及海底研究。


量子传感器的应用

由于其潜在的好处,量子传感器已被部署在广泛的关键操作中。可再生能源、核能和地热能等领域一直在采用量子传感器进行应用。


例如,在核电站中,已经部署了量子传感器来帮助核能输出。原子干涉量子传感器等设备正被用于检测核电站中的同位素。这些极其敏感的设备不仅可以检测同位素中的辐射量,还有助于远程监测核电站的辐射安全。


就维护制造基础设施而言,量子传感器用于检测设备的早期故障,以获得未来的性能诊断报告。这种方法已经用基于状态的维护取代了传统的基于时间的维护实践,从而降低了总体成本并大限度地减少了设备故障。


量子传感器也越来越多地部署在输电网中,即所谓的“智能电网”,传感器在其中监控和分析性能。还测量了电力线中的温度损失、应变和应力等因素,这些因素是确定电力损失的有用指标。这些传感器接收到的输入有助于电网制造商提高电网效率。


最近,量子传感器已广泛用于开发智能建筑。量子传感器全天准确监测每栋建筑的能源使用情况,并据此监测建筑的通风、供暖和照明等功能。这有助于降低建筑物的整体能源消耗,从而消耗更少的资源。 


量子传感器的未来是什么样的?

尽管测量精度很高,但量子传感器仍然容易产生不同类型的噪声,从而阻碍了它们在许多应用中的使用。一个阻碍因素是缺乏可用于在实验室环境之外实际感测参数的硬件。 


这些限制在研究和实际环境之间造成了领域差距。将量子传感器扩展到工业水平也具有挑战性,因为传感器主要是为实验室操作而设计的。


诸如量子相干性等因素,伴随着环境损失和噪声,也阻碍了量子系统的信噪比,例如计量应用中使用的那些。


随着全球对能够准确测量参数的设备的需求增加,量子传感器可能会进一步应用于各个领域。


虽然这些传感器面临许多挑战,但增加的研究和工业兴趣肯定会支持它们的发展。


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