什么是光子量子传感？

传感器无疑是现代最重要的发明之一，为医疗保健、结构监测、化学反应、航空航天等各个领域提供关键数据。光子量子传感为传感行业带来了革命性的变化，因为它提高了现代传感器的效率和性能。光子量子传感的各种应用确保它必将在测量和数据收集领域创造奇迹。

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光子量子传感简介
光子量子传感将量子力学原理与光子学相结合，用于精确传感和检测。传统的光学方法在分辨率和精确度方面存在一些值得注意的局限性。然而，量子叠加和量子纠缠等量子现象在光子上的应用使光子量子传感在效率上超越了同类产品。

哪些量子力学现象使光子量子传感成为更好的选择？
在光子量子传感中，用于传感目的的光子表现出量子叠加性。这些光子可以同时存在于多个能级中，从而使它们能够复杂地捕捉原子级变化，提高光子量子传感过程的精度。

基于纠缠的光子量子传感过程也在全球范围内越来越受欢迎。两个或更多粒子的量子纠缠会导致它们的属性相关，即使它们之间存在很大的距离。光子量子传感技术利用这一特性，通过观察纠缠粒子来获取传感数据。

去年年底，研究人员观察到，利用纠缠，可以在光子量子传感网络中实现多个传感器，从而开发出单一的联合设备。在网络化光子量子传感装置中使用纠缠原子后，精度提高了三倍。

此外，量子干涉现象在光子量子传感应用中也发挥着重要作用，尤其是在提高测量精度方面。

光子量子传感的应用和过程
《自然-光子学》上发表的一篇文章从理论和实验角度讨论了光子量子传感领域的新兴应用。
 

文章称，光子量子传感在增强经典数据的量子读取能力的同时，还能提高探测远程物体的效率。2015 年，高斯量子照明的概念被扩展到微波频谱，为量子雷达的开发提供了原型。

文章提到，光子量子传感已被证明能够以恒定的精度感知和测量两个点状光源之间的距离。光子量子传感系统甚至可以在两个点处于亚波长距离时精确测量这个距离。之所以能做到这一点，是因为在光子量子传感的工作方案中融入了量子估计理论的原理。

基于纳米线的集成光子量子传感
单光子发射器和探测器是量子光子传感和信息处理系统的组成部分。纳米光子学》（Nanophotonics）杂志重点介绍了基于纳米线的量子硬件在现代光子量子传感系统中的应用。

与传统的体光学相比，集成光子量子传感无疑是一种可靠且经济可行的选择。然而，兼容性问题是集成光子量子传感系统真正需要解决的问题。虽然光子量子传感系统的单个组件已经取得了重大进展，但这些组件之间往往缺乏兼容性，或者它们的集成可能导致性能大幅降低。

超导纳米线单光子探测器（SNSPD）领域取得了长足的发展，尤其是在标准光纤耦合器件的开发方面。超导纳米线光子量子传感器通常集成在具有行波结构的光子波导中，或置于平面光子晶体腔内。这确保了传感效率的大幅提升。

用于气候研究的集成光子量子传感技术
最近，美国国家航空航天局（NASA）与奥斯汀大学合作，重点推进光子量子传感技术，以了解气候变化及其不利影响。

量子途径研究所的合作者正在积极开发光子量子传感技术，该技术专门用于优化轨道卫星，收集有关原子如何对周围环境的微小变化做出反应的数据。科学家将利用光子量子传感系统收集的信息来测量海平面上升、冰川融化和热变化的影响。

光子量子传感为量子计量学提供新视角
量子计量学是量子技术中极具潜力的领域。这一研究领域致力于通过有效利用量子资源来精确估算未知参数，量子资源比传统资源更高效、更优化。

光子量子传感系统是用于计量目的的有效工具。最近，配备光子量子传感技术的量子增强时钟同步和量子增强磁力计已被用于计量目的，提供了更高的效率和更好的响应。

除此之外，光子量子传感对于量子通信现象也至关重要。它有助于开发安全的量子通信链路。光子量子传感系统中发生的量子纠缠为数据流提供了牢不可破的加密，提高了安全性和隐私性。此外，现代导航工具也将配备现代光子量子传感技术，以实现物体的精确定位。

毫无疑问，光子量子传感技术在医疗行业、环境科学、空间应用和材料科学领域的应用是多方面的。基于芯片的光子量子传感技术的发展将为现代创新打开一扇新的大门，特别是在导航和感应预定条件变化领域。

参考资料

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Available at: https://spectrum.ieee.org/quantum-sensors-entanglement

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Available at: https://www.photonics.com/Articles/Integrated_Photonic_Quantum_Sensing_Takes_Aim_at/a68878

Chang, J. et. al. (2023). Nanowire-based integrated photonics for quantum information and quantum sensing. Nanophotonics. 12(3). 339-358. Available at: https://doi.org/10.1515/nanoph-2022-0652

作者：Ibtisam Abbasi