2.7 量子技术的其他应用

2.7 量子技术的其他应用

如上文所述,量子力学物理中涉及的基本原理还有许多可能的应用,其中的诸多领域皆不乏感兴趣的人士。计算机和通信只是量子技术最广为人知的应用。其他应用包括以下几点。

2.7.1 量子传感器

量子传感器是利用量子纠缠等量子关联的器件,与仅使用经典系统相比,量子系统获得的灵敏度和分辨率更好。[83]

美国宇航局和加利福尼亚州森尼维尔的AOSense公司已成功构建并演示了能够获得高灵敏度和精确重力测量的量子传感器的原型——为下一代地理测量、水文和气候监测任务奠定了基础。[84]

美国国家标准与技术研究院(NIST)的研究人员打造了一款芯片,该微型工具包通过激光与微型原子团的相互作用,以量子精度测量长度等物理量。[85]

选取的部分潜在应用能力包括:

·纳米级温度传感器;

·石油、天然气、矿产和防务领域的重力传感器;

·微型光学时钟;

·非侵入式探测材料的局部化现象和瞬态现象;

·改善健康的植入式传感器;

·改良的磁传感——心脏、大脑影像;

·加速度计、陀螺仪、重力计、磁力测量仪、计时所用的量子芯片;

·生物医学影像;

·穿墙成像;

·精确导航的惯性传感器;

·物联网。

美国能源部详细研究了量子传感器的未来应用[86],发现它们为特定的公共应用和推动物理学与科学向前发展提供了广泛机遇。无独有偶,英国研究与创新委员会已为英国量子传感器的发展提出了详细且具体的“愿景”[87],其中大部分为描述性内容,同样适用于美国。

2.7.2 量子雷达

量子雷达是一项新兴的遥感技术,利用的是输入的量子关联(特别是量子纠缠)和输出的量子检测。若成功开发,即使信号被背景噪声淹没,雷达系统也能自行选择所需信号,从而能够探测隐形飞机、筛除故意干扰、在地面杂波等造成的高背景噪声区域工作[88]

雷达将多个光子分为纠缠对,比如光子A和光子B。雷达系统通过微波束将纠缠对中的一半光子即A光子发射到空中,另一半的B光子仍留在雷达基地。通过研究留在雷达基地的光子,雷达操作员可判断向外发射的光子发生了什么。是遇到了物体?物体有多大?物体行进的速度多快、方向如何?是个什么样子的物体?[89]

量子雷达也可无视传统的雷达干扰和欺骗手段,如无线电雷达干扰器和雷达示踪物。

2.7.3 量子成像

量子成像对任何基于光测量的应用或传感器均有帮助。它将为国防和环境监测等领域提供新的机会。一旦获得监管部门批准,还将应用于医疗影像设备。量子成像技术将用于:[90]

·粒子追踪(利用光镊或微流变等);

·数据的光存储;

·波束定位(如原子力显微镜);

·增强型磁力测定;

·放大衰减的光信号;

·多信道量子通信。

量子成像的理论不同于经典成像,这些关键差异形成了量子成像的优势。“鬼成像”的图片往往来自光子、电子和原子的量子属性,从而生成对相机不可见的物体图像。

照相机、x射线仪等传统的成像装置通过检测作用于成像物体的光子来生成图像。[91]如今,研究人员开发出新的量子成像技术,用一束光子照射物体,但之后形成图像的并非这些光子,而是完全不同的、从未接近过物体的另一束光子。换言之,通过检测从未作用于目标的光子来获得图像。[92]

此类量子纠缠相机的优点在于可用一定波长的光子照射物体,而后用另一波长的纠缠光子来形成图像。

鬼成像卫星有两个相机,一个相机通过桶状单像素传感器瞄准感兴趣的目标区域,另一个则测量环境中光场的各类变化。运用量子物理学的一套复杂算法,科学家将两个相机接收的信号加以分析合并,形成传统手段难以实现的高清晰度成像。鬼成像相机还可识别目标的物理性质乃至化学成分,这意味着军方可识别假目标,如机场陈列的假喷气式战机,或隐藏在迷彩篷下的导弹发射装置。[93]

2.7.4 量子导航

GPS类似于导航,通常用于定位技术。GNSS(全球导航卫星系统)以卫星为基础,这意味在洞穴内、水下、停车场等没有信号的位置便无法使用。

GPS对现代导航至关重要,但它极为脆弱。先不提覆盖范围——若卫星发生故障或遭到干扰攻击,很快会毫无用处。科学家们展示了一种“商业上可行”的量子加速度计,可在无GPS或其他卫星技术的情况下提供导航。该装置用激光将原子冷却到极低的温度,然后测量原子在加速度作用下的量子波特性。这一设备的灵敏度极高,比传统的加速度计更为可靠。[94]

这一切都始于研究发现,显示激光可以捕获并冷却真空中的原子。冷到多冷?只有绝对零度的百万分之一。在此温度下,原子对地球磁场和引力场的变化极为敏感。量子指南针的最大优势在于根据已知的物理定律,没有任何手段可对这些设备进行干扰,GPS则不同,GPS易受攻击和干扰。此项技术能够在水下定位且不易被攻击,比起普通人,各国军方可能对其更感兴趣。[95]

与GPS和其他依靠全球导航卫星系统(GNSS)的导航手段不同,量子指南针不依赖于任何外部参考,使得该设备比当前的导航技术更具防篡改性。举例而言,GPS可能被黑客攻击或欺骗,对军用和商用导航都有重大影响。量子指南针完全独立于其他体系,因而不易受到此类攻击的影响。