近年來量子信息學的發展，使得對微觀對象量子態的操縱和控製變得越來越重要 。用量子控製的理論和方法來解決量子態的控製問題從而產生了量子控製論 。

 

量子控製論是以研究微觀世界係統量子態的控製問題的學科，量子傳感器即可用於解決量子控製中的檢測問題 。

 

 

 

在經典控製中 ,測量過程由各種測量儀表完成 ,其中的變換過程一般由相應的測量傳感器完成 。測量儀表可以由若幹個傳感器以合適的方式聯接而成 ,共同完成變換 、選擇

、比較和顯示功能 。與經典控製中一樣 ,量子控製中測量的關鍵也是被測量和標準量的比較 。而量子控製中的可觀測量與量子力學中的相應自共軛算符對應 ,量子係統狀態的直接測量一般不易實現 ,需要把被測量按一定的規律轉變為便於測量的物理量 ,進而實現量子態的間接測量 。這一過程可以通過量子傳感器完成 。

 

 

所謂量子傳感器，可以從兩方麵加以定義：

 

(1) 利用量子效應 
、根據相應量子算法設計的
、用於執行變換功能的物理裝置 ; 

 

(2) 為了滿足對被測量進行變換 ,某些部分細微到必須考慮其量子效應的變換元件 。

 

不管從哪個方麵定義 ,量子傳感器都必須遵循量子力學規律 。可以說 ,量子傳感器就是根據量子力學規律 、利用量子效應設計的 、用於執行對係統被測量進行變換的物理裝置 。

 

與蓬勃發展的生物傳感器一樣,量子傳感器應由產生信號的敏感元件和處理信號的輔助儀器兩部分組成 ,其中敏感元件是傳感器的核心 ,它利用的是量子效應 。

 

隨著量子控製研究的深入 ,對敏感元件的要求將越來越高 ,傳感器自身的發展也有向微型化 、量子型發展的趨勢,量子效應將不可避免的在傳感器中扮演重要角色 ,各種量子傳感器將在量子控製 、狀態檢測等方麵得到廣泛應用 。 

 

 

傳感器的性能品質主要從準確度 、穩定性和靈敏度等方麵加以評價 。結合量子傳感器的自身特點 ,可以從以下幾個方麵來考慮量子傳感器的性能 :

 

 

在量子控製中 ,由於測量可能會引起被測係統波函數約化 ,同時 ,傳感器也可能引起係統狀態變化 ,因此 ,在測量中 ,要充分考慮量子傳感器與係統的相互作用 。因為量子控製中的狀態檢測與經典控製中的狀態檢測存在本質上的不同 ,測量可能引起的狀態波函數約化過程暗示了對狀態的測量已經破壞了狀態本身 ,因此 ,非破壞性是量子傳感器應重點考慮的方麵之一 。在進行實際檢測時 ,可以考慮將量子傳感器作為係統的一部分加以考慮 ,或者作為係統的擾動 ,將傳感器與被測對象相互作用的哈密頓考慮在整個係統狀態的演化之中 ;

 

 

根據量子控製中測量的特點 ,特別是狀態演化的快速性 ,使得實時性成為量子傳感器品質評價的重要指標 。實時性要求量子傳感器的測量結果能夠較好的與被測對象的當前狀態相吻合 ,必要時能夠對被測對象量子態演化進行跟蹤 ,在設計量子傳感器時 ,要考慮如何解決測量滯後問題 ;

 

 

由於量子傳感器的主要功能是實現對微觀對象被測量的變換 ,要求對象微小的變化也能夠被捕捉 ,因此 ,在設計量子傳感器時 ,要考慮其靈敏度能夠滿足實際要求 ;

 

 

在量子控製中 ,被控對象的狀態易受環境影響 ,量子傳感器在探測對象量子態時也可能引起對象或傳感器本身狀態的不穩定 ,解決的辦法是引入環境工程的思想 ,考慮用冷卻阱 、低溫保持器等方法加以保護 ;

 

 

量子係統本身就是一個複雜係統 ,各子係統之間或傳感器與係統之間都易發生相互作用 ,實際應用時總是期望減少人為影響和多步測量帶來的滯後問題 ,因此 ,可以將較多的功能 ,如采樣
、處理 
、測量等集成在同一量子傳感器上 ,並將合適的智能控製算法融入其中 ,設計出智能型的 
、多功能量子傳感器 。

 

量子傳感器具有許多經典傳感器所不具有的性質 ,設計量子傳感器時 ,在重點考慮將量子領域不可直接測量量變換成可測量量外 ,還應從非破壞性 
、實時性 、靈敏性 、穩定性 
、多功能性等方麵對量子傳感器的性能加以評估 。

 

 

以英國為例
，在傳感器及相關設備領域的從業者已經超過73000人，對經濟的年均貢獻也，所以整合全產業鏈的重要性也就不言自明了。超過140億英鎊。單單是一個傳感器數據服務所衍生出來的價值就已經是天文數字了

 

然而，有關量子傳感器的想象力還不止於此：量子磁性傳感器的發展將大幅降低磁腦成像的成本，有助於該項技術的推廣；而用於測量重力的量子傳感器將有望改變人們對傳統地下勘測工作繁雜耗時的印象；即便在導航領域，往往導航衛星搜索不到的地區，就是量子傳感器所提供的慣性導航的用武之地。

 

 

地下勘測通常是極其昂貴和耗時的
，但在建造新的基礎設施時又是必要的，尤其是像高速鐵路、核電站這種大型項目在開建之前。實際上有很多地質構造未探明的地下環境都存在諸如下水道

、礦井和沉坑之類的危險。

 

信息不足的代價往往是十分高昂的
，工程延遲、超支和重新規劃都是家常便飯。英國進行基礎設施維護的方法就是每年花費50億英鎊在道路上挖400萬個洞，之所以這麼做竟然是因為人們不清楚地下設施的具體位置。

 

而在人們的普遍印象中，任何檢查都應該是在地麵上進行的，而不需要挖掘坑洞。可現有的雷達、電子檢測儀和磁力儀的性能並不能達到理想效果
，超過地下幾米的物體就很難被探測到了。

 

遇yu到dao這zhe種zhong情qing況kuang
，通tong常chang的de解jie決jue方fang案an就jiu是shi使shi用yong重zhong力li感gan測ce技ji術shu，因yin為wei地di下xia埋mai藏zang的de任ren何he物wu體ti的de重zhong力li發fa生sheng細xi微wei的de變bian化hua都dou可ke以yi被bei記ji錄lu下xia來lai並bing繪hui製zhi成cheng重zhong力li圖tu。但dan傳chuan統tong重zhong力li儀yi的de問wen題ti是shi讀du數shu不bu準zhun確que、耗時長且易於受到地麵振動的影響。

 

但如果用量子傳感器來進行重力測量就會有明顯的優勢：速度更快
、讀數更精確、探測的更深且不受地麵振動的影響。這一技術的廣泛應用勢必會對土木工程行業起到極大的推動作用。

 

 

在英國有超過500萬的家庭所處的位置都麵臨坍塌和沉降的風險; 英(ying)國(guo)鐵(tie)路(lu)部(bu)門(men)也(ye)需(xu)要(yao)對(dui)鐵(tie)軌(gui)周(zhou)邊(bian)的(de)積(ji)水(shui)情(qing)況(kuang)進(jin)行(xing)實(shi)時(shi)監(jian)控(kong)
，以(yi)防(fang)止(zhi)山(shan)體(ti)滑(hua)坡(po)災(zai)害(hai)的(de)出(chu)現(xian)。而(er)量(liang)子(zi)傳(chuan)感(gan)器(qi)就(jiu)可(ke)以(yi)很(hen)好(hao)地(di)在(zai)重(zhong)力(li)圖(tu)上(shang)標(biao)記(ji)處(chu)哪(na)裏(li)會(hui)有(you)坍(tan)塌(ta)的(de)風(feng)險(xian)、哪裏的積水過多。

 

此ci外wai，量liang子zi光guang子zi傳chuan感gan器qi還hai可ke以yi快kuai捷jie地di識shi別bie地di表biao下xia諸zhu如ru油you料liao泄xie漏lou之zhi類lei的de危wei害hai。這zhe一yi切qie都dou基ji於yu量liang子zi傳chuan感gan器qi快kuai速su掃sao描miao的de特te點dian，而er這zhe也ye使shi得de常chang態tai化hua的de檢jian查zha成cheng為wei了le可ke能neng。

 

獲取石油和天然氣等自然資源的重點在於開采地點的確定，這在美國是一個價值30億美元的龐大市場。目前主流的勘探形式為地震探測，效果更佳
，但更昂貴的重力測量方式隻有在人們了解較少的地方才被采用。

 

但實際上，重力測量高昂成本的很大部分都來自於調整設備，而如今量子增強型MEMS傳感器的出現就減少了設備調整的操作
，使整個測量工作可以更快推進，連成本也降到了之前的十分之一。

 

 

交通運輸越發展就越需要了解各種交通工具的準確位置信息及狀況，這也就對汽車

、火車和飛機所攜帶的傳感器數量提出了要求
，衛星導航設備、雷達傳感器、超聲波傳感器
、光學傳感器等都將逐漸成為標配。

 

然而有了這些還遠遠不夠，傳感器技術的發展也將麵對新的挑戰。自動駕駛汽車和火車的定位及導航精度被嚴格要求在10厘米以內; xiayidaijiashifuzhuxitongbixukeyisuishijiancedaodangdilimijideweixianlukuang。shiyongjiyulengyuanzideliangzichuanganqi
，daohangxitongbudankeyijiangweizhixinxijingquedaolimi，haibixujubeizaizhurushuixia、地下和建築群中等導航衛星觸及不到的地方工作的能力。

 

與此同時，其他類型的量子傳感器也在不斷發展之中（例如工作在太赫茲波段的傳感器）
，tamenkeyijiangdaolupinggudejingdujingquedaohaomiji。ciwai
，zuichuweiyuanzizhongerkaifadejiyujiguangdeweiboyuanyekeyitishengjichangleidaxitongdegongzuofanweihegongzuojingdu。

 

 

guangxianceliangbingbushiyongyusuoyoudechengxianggongzuo，zuoweixindetidaibuchongshouduan，zhongliceliangkeyihenhaodefanyingchumouyidifangdexiweibianhua，lirunanyijiejindelaokuangjing、坑洞和深埋地下的水氣管。用此方法，油礦勘探和水位監測也會變得異常容易。

 

利用量子冷原子所開發的新型引力傳感器和量子增強型MEMS（微電子機械係統）技術要比以前的設備有更高的性能
，在商業上也會有更重要的應用。

 

而低成本MEMS裝(zhuang)置(zhi)也(ye)在(zai)構(gou)想(xiang)之(zhi)中(zhong)，預(yu)計(ji)它(ta)將(jiang)會(hui)隻(zhi)有(you)網(wang)球(qiu)大(da)小(xiao)，敏(min)感(gan)程(cheng)度(du)要(yao)比(bi)在(zai)智(zhi)能(neng)手(shou)機(ji)中(zhong)使(shi)用(yong)的(de)運(yun)動(dong)傳(chuan)感(gan)器(qi)高(gao)一(yi)百(bai)萬(wan)倍(bei)。一(yi)旦(dan)這(zhe)項(xiang)技(ji)術(shu)成(cheng)熟(shu)，那(na)麼(me)大(da)麵(mian)積(ji)的(de)重(zhong)力(li)場(chang)圖(tu)像(xiang)繪(hui)製(zhi)也(ye)就(jiu)將(jiang)成(cheng)為(wei)可(ke)能(neng)。

 

MEMS傳感器在量子成像讀出上至少有幾個量級幅度上的進步。來自格拉斯哥大學和橋港大學的研究人員開發了一種Wee-g檢測器，可以利用量子光源來改善設備精度
，即便是更小的物體也可以被檢測到——或有助於雪崩與地震災害中的救援行動。

 

冷原子傳感器將具有最高的精度，性價比水平也是無出其右
，目前尚未有更尖端的技術可以超過它。目前伯明翰大學正在研發RSK和e2v冷(leng)原(yuan)子(zi)傳(chuan)感(gan)器(qi)，將(jiang)用(yong)於(yu)日(ri)常(chang)重(zhong)力(li)測(ce)量(liang)。例(li)如(ru)幫(bang)助(zhu)建(jian)築(zhu)行(xing)業(ye)確(que)定(ding)地(di)下(xia)的(de)詳(xiang)細(xi)狀(zhuang)況(kuang)

，減(jian)少(shao)由(you)於(yu)意(yi)外(wai)危(wei)險(xian)造(zao)成(cheng)的(de)工(gong)程(cheng)延(yan)誤(wu)
，並(bing)擺(bai)脫(tuo)對(dui)昂(ang)貴(gui)的(de)勘(kan)探(tan)挖(wa)掘(jue)的(de)依(yi)賴(lai)。

 

 

在zai太tai空kong中zhong，冷leng原yuan子zi傳chuan感gan器qi則ze可ke以yi通tong過guo檢jian測ce引yin力li波bo及ji驗yan證zheng愛ai因yin斯si坦tan的de理li論lun來lai實shi現xian新xin的de科ke學xue突tu破po。當dang然ran了le，常chang規gui性xing地di球qiu遙yao感gan觀guan測ce也ye可ke以yi通tong過guo精jing確que重zhong力li測ce量liang來lai實shi現xian，監jian測ce的de範fan包bao括kuo地di下xia水shui儲chu量liang、冰川及冰蓋的變化。

 

在格拉斯哥大學，研究人員的也在創造一種新的變革性的太空技術
，即使用MEMS傳感器對航天器的高度進行精細控製，這將有助於增強英國小衛星技術在全世界範圍內的競爭力。

 

 

癡呆病：根據阿爾茨海默病協會估計，全世界每年因癡呆病而造成的經濟損失約有5000yiyingbang

，zheyishuzihaizaibuduanzengjia。erdangqianjiyuhuanzhewenjuandezhenduanxingshitongchanghuishizhiliaoshouduandexuanzekenengxingbeiyanzhongxianzhi，zhiyouzuohaozaoqidezhenduanheganyucaikeyiyougenghaodexiaoguo。

 

研究人員正在研究一種稱為腦磁圖描記術（MEG）的(de)技(ji)術(shu)可(ke)用(yong)於(yu)早(zao)期(qi)診(zhen)斷(duan)。但(dan)問(wen)題(ti)是(shi)該(gai)技(ji)術(shu)目(mu)前(qian)需(xu)要(yao)磁(ci)屏(ping)蔽(bi)室(shi)和(he)液(ye)氦(hai)冷(leng)卻(que)操(cao)作(zuo)，這(zhe)使(shi)得(de)技(ji)術(shu)推(tui)廣(guang)變(bian)得(de)異(yi)常(chang)昂(ang)貴(gui)。而(er)量(liang)子(zi)磁(ci)力(li)儀(yi)則(ze)可(ke)以(yi)很(hen)好(hao)地(di)彌(mi)補(bu)這(zhe)方(fang)麵(mian)的(de)缺(que)陷(xian)，它(ta)靈(ling)敏(min)度(du)更(geng)高(gao)
、幾乎不需要冷卻和與屏蔽，更關鍵的是它的成本更低。

 

癌症：一種名為微波斷層成像的技術已應用於乳腺癌的早期檢測多年，而量子傳感器則有助於提高這種技術的靈敏度與顯示分辨率。與傳統的X光不同
，微波成像不會將乳房直接暴露於電離輻射之下。

 

此外，基於金剛石的量子傳感器也使得在原子層級上研究活體細胞內的溫度和磁場成為了可能

，這為醫學研究提供了新的工具。

 

心髒疾病：心xin律lv失shi常chang通tong常chang被bei看kan作zuo是shi發fa達da國guo家jia的de第di一yi致zhi死si殺sha手shou，而er該gai病bing症zheng的de病bing理li特te征zheng就jiu是shi時shi快kuai時shi慢man的de不bu規gui則ze心xin跳tiao速su度du。目mu前qian正zheng在zai開kai發fa中zhong的de磁ci感gan應ying斷duan層ceng攝she影ying技ji術shu被bei視shi作zuo可ke以yi診zhen斷duan纖xian維wei性xing顫chan動dong並bing研yan究jiu其qi形xing成cheng機ji製zhi的de工gong具ju
，量liang子zi磁ci力li儀yi的de出chu現xian會hui大da大da提ti升sheng這zhe一yi技ji術shu的de應ying用yong效xiao果guo，在zai成cheng像xiang臨lin床chuang應ying用yong、病患監測和手術規劃等方麵都會大有益處。

 

量子傳感器有著廣闊的應用前景 ,目前的量子傳感器主要是高靈敏度的磁傳感器 ,在深入研究已有量子傳感器的基礎上 ,應該考慮結合激光的優越性 ,利用光電轉換原理 ,設計出以激光相幹效應為基礎的量子傳感器 。