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美国发布量子传感器国家战略——《将量子传感器付诸实践》

美国发布量子传感器国家战略——《将量子传感器付诸实践》

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  • 来源:
  • 发布时间:2022-04-02
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【概要描述】美国国家科学和技术委员会(NSTC)量子信息科学小组委员会(SCQIS)近日发布了名为《将量子传感器付诸实践》的报告,通过扩展量子信息科学(QIS)国家战略概述中的政策主题,增强了QIS国家战略。

美国发布量子传感器国家战略——《将量子传感器付诸实践》

【概要描述】美国国家科学和技术委员会(NSTC)量子信息科学小组委员会(SCQIS)近日发布了名为《将量子传感器付诸实践》的报告,通过扩展量子信息科学(QIS)国家战略概述中的政策主题,增强了QIS国家战略。

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    美国国家科学和技术委员会(NSTC)量子信息科学小组委员会(SCQIS)近日发布了名为《将量子传感器付诸实践》的报告,通过扩展量子信息科学(QIS)国家战略概述中的政策主题,增强了QIS国家战略。

    报告提出许多以美国《量子信息科学国家战略概览》和《国家量子倡议(NQI)》法案为基础的建议,加强了美国的QIST战略。其长期目标是通过量子技术的发展促进经济机会、安全应用和科学进步。在近中期,即未来1-8年,根据这些建议采取行动将加速实现量子传感器所需的关键发展。

    量子传感器和测量设备提供精确性、稳定性和新功能,为商业、政府和科学应用提供优势。例如用于全球定位系统(GPS)导航的原子钟和用于磁共振成像(MRI)的核自旋控制已经被广泛使用,对社会产生了变革性影响。在不久的将来,量子信息科学与技术(QIST)可以实现新一代类似的变革传感器。

    量子传感器(quantum sensors)是利用量子力学特性(如原子能级、光子态或基本粒子的自旋)进行计量的设备。可为科学、技术和工业提供精密测量技术。量子传感器在不同领域均有影响:定位、导航、计时、本地和远程、生物医学、化学和材料科学、基础物理学和宇宙学。

    基于蒸汽、玻色凝聚体或固态系统(如金刚石中的氮-空位(NV)中心)中原子自旋的光学磁力计可以为本地和远程传感、绘图和导航提供功能。磁力计可用于神经功能的生物医学研究,例如,通过脑磁图(MEG)了解阿尔茨海默病、帕金森病和认知能力。MEG等技术是对生物医学中的功能磁共振成像、脑电图(EEG)和冷冻电子显微镜的补充。NV中心还能对微米级样品的化学位移进行核磁共振光谱学分析,适用于研究单个细胞的蛋白质动力学。光学磁力计还可以支持生物样本的无创检测和表面科学的新工具。

    基于超导量子干涉器件(SQUID)的MEG设备(a)需要低温冷却,有很大的占地面积和开销。虽然适用于医学研究领域,但它们不太可能实现大规模的临床使用。基于光学磁力计的MEG设备(b)可以接近甚至超过SQUID MEG的灵敏度极限,而不需要低温冷却或大的操作空间。这些更小、更便携的MEG设备的一个应用可能是在现场诊断脑外伤。

    金刚石中的氮-空位(NV)中心允许磁测量和核磁共振(NMR)光谱分析,以及空间分辨率接近纳米级的成像。NV中心的研发工作已经持续了20多年,参与者包括NSF、NIST、美国能源部、美国国防部和美国国立卫生研究院。显著的成就包括检测泛素蛋白中的多种核物种,如(a);使用NV中心的NMR光谱分辨率,如(b);使用使用单个NV中心的扫描共焦显微镜、纳米级磁场传感、使用量子钻石显微镜的单细胞成像、以及活体标本中单个神经元激发的检测。金刚石NV磁成像仪的可能的近期应用是检测由多发性硬化症等疾病引起的动作电位传导速度的变化。

 

面临的挑战:

    将量子传感器从概念验证设计带到可部署产品仍然需要克服许多障碍。首先,巨大的应用空间和潜在用户需求,使得人们很难专注于特定的应用或需求。此外,许多量子传感器的市场驱动力和商业价值仍在确定之中。因此,研发工作是分散的。与此同时,从基础研究到成功产品的漫长道路需要大量和持续的资金,通常需要几次协调推进。

    鉴于不同用户群体的不同需求,应制定一项长期战略,使多个机构保持一致,并将私营部门利益相关者团结在一些特定应用和关键支持技术的开发上。对于任何一个机构、大学或公司都无法独自维持的研发工作来说,一个有凝聚力的、全系统的方法尤其重要。与私营部门进行更多协调,使量子技术更加高效成熟,这将得益于知识产权、收购、研究安全和适当伙伴关系的协调努力。

 

如何

建议一:领导QIST研发的机构应该加快开发新的量子传感方法,并优先与最终用户建立适当的伙伴关系,以提高新量子传感器的技术成熟度。

建议二:使用传感器的机构应进行可行性研究,并与QIST研发领导人共同测试量子原型系统,以确定有前途的技术,并专注于解决其机构任务的量子传感器。

建议三:支持工程研发的机构应该开发广泛适用的组件和子系统,如紧凑可靠的激光器和集成光学,以促进量子技术的发展,促进规模经济。

建议四:各机构应该简化技术转让和收购的流程,以鼓励开发和尽早采用量子传感器技术。

 

    量子传感可以说是量子技术中最成熟的子类别;相比之下,量子计算和量子网络处于早期的发展阶段。鉴于目前的情况,如果一些关键挑战能够克服,一些量子传感器有望在短期内对社会产生影响。

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