26、量子传感器网络：突破传统的测量与成像技术

量子传感器网络：突破传统的测量与成像技术

量子传感器概述

量子传感器和量子计算机有诸多相似之处。量子计算机借助量子效应解决复杂数学问题，而量子传感器则能比经典方法更精确地测量各种物理量。要成为量子传感器，设备至少需利用量子技术的两个基本要素：不确定性和非现实性，多数现代量子传感器还会引入纠缠特性。

以量子原子钟为例，它由原子构成，原子即为量子比特（qubit）。我们用原子自旋来表示量子比特，对原子的操作与量子计算机中的单门操作相同，所以量子原子钟也可作为量子原子计算机。

量子比特的一般表示如图 1 所示，经典比特 0 和 1 分别位于球体的北极和南极，而量子比特状态是 0 和 1 的任意叠加，由箭头 (|\psi\rangle) 表示，纬度角 (\theta) 和经度角 (\phi) 完全确定量子比特的状态。

为了测量时间，我们使用铯原子，一秒被定义为量子比特绕图 1 中赤道旋转 9,192,631,770 个周期。将量子比特置于赤道上的工具是 Ramsey 干涉仪，其示意图如图 2 所示。

铯原子量子比特从左侧源以自旋向下状态（图 1 中球体的南极）发射出来。第一个微波脉冲将量子比特踢到赤道上，使其以每秒 9,192,631,770 转的速度开始旋转。经过一段时间（即我们要测量的时间）后，施加第二个微波脉冲，使量子比特坍缩为自旋向上或向下状态。自旋向上由上方探测器检测，自旋向下由下方探测器检测。

量子比特绕赤道旋转的箭头就像时钟的指针，每旋转一圈可测量到约十亿分之一秒的时间，这就是原子钟如此精确的原因。通过干涉仪可以测量旋转一圈或其分数，上探测器和下探测器的概率差是待测量时间的函数，该函数随时间振荡，这些振荡被称为 R