量子傳感 (Ⅲ)：核心應用與未來展望
|作者：郭弘1, † 吳騰1 羅斌2 劉院省3
(1 北京大學電子學院 量子信息技術中心)
(2 北京郵電大學電子工程學院 信息光子學與光通信國家重點實驗室)
(3 北京航天控制儀器研究所)
本文選自《物理》2024年第9期
摘 要
作爲量子信息感知物理實現基礎的量子傳感技術是三大核心量子技術之一，也是發展歷史最悠久、技術成熟度最高、實際應用範圍最廣、潛在應用最多的量子技術。文章是量子傳感系列綜述的第三部分，在前兩部分內容的基礎上，從實際應用角度出發，介紹量子傳感技術在導航定位授時、遙感探測、生物醫學和基礎物理等代表性領域的應用現狀，闡述了量子傳感的階段性發展特徵，包括量子傳感的核心使能組件、量子傳感的適應性難題等，最後，結合從傳感到信息感知的論述，給出了量子傳感技術的未來展望。
關鍵詞量子傳感，導航定位授時，遙感探測，生物醫學，基礎物理，量子信息感知
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引 言
量子傳感系列綜述的主要介紹了量子傳感的基本理論和方法[1]：從理論上總結了量子傳感的概念內涵，從實際應用的角度給出了量子傳感的技術外延以及分類依據，同時介紹了量子傳感的基本架構，總結了描述量子傳感器性能的核心技術指標。量子傳感系列綜述的主要介紹了量子傳感的關鍵技術與典型代表[2]：闡述了基於量子態的製備、操控、探測的量子傳感技術具備顛覆性傳感能力的核心原理，並介紹了代表性量子傳感器的實現方法及發展現狀。
本文是量子傳感系列綜述的第三部分：主要從實際應用角度出發，重點介紹量子傳感技術在導航定位授時、遙感探測、生物醫學和基礎物理等代表性領域的應用現狀。基於此，總結了量子傳感的階段性發展特徵，以及量子傳感的核心使能組件、量子傳感的適應性難題等。最後，給出了未來展望並討論了從量子信息傳感到量子信息感知的發展趨勢。
2
量子傳感技術的核心應用
目前，從各國的國家計劃和路線圖來看，量子傳感技術及量子傳感器的發展已經在應用層面逐步聚焦(表1)[3—11]。總體而言，目前量子傳感的核心應用主要體現在以下幾個方面。
表1 各國的主要國家計劃或路線圖中
2.1 定位、導航、授時——PNT
量子傳感器最主要的應用方向之一是定位(position)、導航(navigation)、授時(timing)三個方面，簡稱PNT技術。量子傳感器與下一代PNT，特別是在衛星信號拒止條件 (衛星信號拒止條件：導航衛星信號受到干擾、遮擋，甚至惡意欺騙攻擊等導致的衛星導航定位設備無法正確輸出導航參數信息的情形。) 下的彈性PNT技術(resilient PNT)具有極爲密切的關係。
當標準衛星導航信號不可用時，接入原子鐘和高精度時間傳輸協議的輔助網絡可以爲導航系統提供彈性、可靠的備選方案。基於原子陀螺儀(或超高精度激光/光纖陀螺儀)和加速度計的慣性導航系統具有達到超高精度的潛力，從而在某些情況下減少對標準導航衛星或聲納(涉及水下的應用場景時)的需求。與傳統的慣性技術相比，還可以減小長期導航誤差。例如，實現水下超長時間航行應用需要慣性導航系統在性能提升、系統集成度及環境適應性等方面有顯著的突破。陀螺羅盤、衛星指向、制導、導航、重力測繪和海底避障的綜合應用可能即將到來。基於原子磁傳感器的地磁匹配導航技術 [12]，也是下一代PNT技術規劃中的重要支撐技術之一。
從國內外公開的戰略性文件看，無論是量子技術方面的技術規劃，還是PNT方面的技術規劃，都明確指明瞭這一點，即，量子傳感器與下一代PNT技術的實質性結合及綜合運用，將成爲重點方向之一。以美國爲例，2021年5月，美國國家審計總署(United States Government Accountability Office)在公開發布的彈性PNT技術分析文件中，明確列出了芯片原子鐘、原子磁傳感器、重力儀(慣性傳感器)等典型量子傳感技術 [13]。
2.2 遙感探測
遙感探測是量子傳感技術的重點應用方向之一。目前典型的代表性技術是原子磁傳感器和原子重力儀。除了軍事目標探測應用外，上述量子傳感技術在遙感探測領域的重要應用，包括但不限於地球磁場和重力場高精度測繪、航空物探、磁異常和重力異常檢測等。
例如，原子磁傳感器可以爲本地和遠程傳感和測繪提供高性能磁場測量能力，典型的技術應用就是激光導星(laser guide star)技術 [14]，即通過向大氣中發射激光來創建人造導星。此外，射電望遠鏡可以使用基於原子鐘的時間同步來支持超長基線干涉測量，從而實現包括黑洞觀測在內的極限觀測能力 [15]。光頻原子鐘的發展正在形成新的觀測能力，比如引力紅移的測量 [16，17]。鎖定於原子鐘的高精度頻率梳則提供了光譜學測量的全新手段，在痕量氣體檢測(例如監測甲烷泄漏)和增強的光譜儀校準(例如“天文光梳”)等方面有望取得重大突破。裡德伯原子態作爲傳感器或量子天線用於原子電場傳感，以測量靜電場(DC，0Hz)到THz(10 12 Hz)的寬頻率範圍內的電磁波，爲遙感和靜電測試提供了新的手段，有望擴大THz領域的應用範圍並實現新的應用，也提供了減小天線尺寸和改進射頻濾波的新技術。
2.3 生物醫學
近期量子傳感在生物醫學方面的發展極爲迅速，主要體現在利用原子磁傳感器對人體器官生物磁場信號的探測，以及基於此而形成的疾病診療等應用。
人體器官的功能活動伴隨着生物電現象，電流或時變電場必然伴隨着磁場信號。因此，人體器官的生物磁場信號反映的是器官的功能活動[18]。生物磁探測技術兼具高空間分辨率(毫米量級)、高時間分辨率(毫秒量級)，能夠與現有的醫學影像技術有效互補。尤其在功能活動的源定位方面，相較於生物電探測技術，生物磁探測技術具有極爲顯著的優勢[19]。
生物磁探測技術已歷經近60年的發展歷程，早期的生物磁探測技術主要利用超導干涉磁力儀(superconducting quantum interference devices，SQUIDs)，在臨牀應用方面已初具規模。近些年，以基於原子氣室和金剛石NV色心爲代表的原子磁傳感器爲生物磁信號檢測提供了全新的可能性 。原子磁傳感器在具有與超導磁力儀相當的磁探測靈敏度的同時，還兼具在地磁條件及常溫下的磁場探測能力，爲運動情況下的腦磁、心磁等生物磁特性測量提供了全新手段 [20—23] 。金剛石NV色心磁力儀則在空間分辨率方面有顯著優勢，可以在亞微米尺度對器官、組織的生命活動實現原位探測，探測分辨率甚至能達到單分子級別 [24] 。
在醫學應用方向，基於生物磁探測技術，可以進行神經功能的生物醫學研究以及對部分疾病的早期診斷。例如，腦磁圖自研製以來，被廣泛應用於腦功能區定位，包括癲癇診斷和癲癇竈術前定位、神經外科術前腦功能區定位等。具體而言，在腦外科手術期間，外科醫生要避免對大腦重要功能區域造成不必要的損害，在患有腦腫瘤的患者中，腦腫瘤可能會明顯扭曲腦部解剖結構，或者諸如動靜脈畸形之類的病變，也會導致腦功能的重組，在這種情況下，解剖學標誌物可靠性低，利用腦磁圖對大腦重要功能區進行映射就至關重要。
心磁圖在心血管疾病診斷方面具有非常廣泛的應用前景。心電圖的敏感度較低，且受限於心電信號的難溯源性；與傳統冠狀動脈造影相比，心磁圖具有非侵入、高敏感等特點，因此，心磁圖具備心臟功能活動的直觀展示以及源定位功能，逐漸成爲心肌缺血、冠狀動脈疾病、冠心病、心肌纖維化等心臟類疾病的早期診斷技術手段；生物磁探測技術也逐步成爲生物醫學領域，繼功能性核磁共振成像(fMRI)、腦電圖、冷凍電鏡等技術之後的重要補充。
除了基於原子磁傳感技術的生物磁探測之外，利用金剛石NV色心磁力儀還能夠對微米級樣品中的化學位移進行核磁共振波譜探測，適用於開展單個細胞中的蛋白質動力學等研究。因此，這也是目前量子磁傳感器在生物醫學方面的典型應用之一。
2.4 基礎物理
目前的基礎物理研究，特別是物理學幾個核心問題(暗物質、暗能量、永久性電偶極矩等)的實驗驗證對傳感器測量精度的要求與日俱增，傳統的測量技術精度已經無法滿足要求，在此情況下，量子傳感器成爲重要選項 [25]。
高精度原子鐘(三維光晶格)、原子磁傳感器(原子磁力儀)、量子增強的光學干涉儀、原子干涉儀(等效性驗證)等提供的超高精度測量能力爲基礎物理研究提供了利器。相關的單光子探測器、極低溫技術等也發揮了重要的作用。具體而言，原子鐘和原子磁傳感器可以分別從精細結構常數以及奇異自旋相關相互作用的角度對暗物質候選粒子(如類軸子粒子，即axion-like particles)進行搜尋 [26，27]；上述暗物質候選粒子也是有關中子或電子等粒子存在永久電偶極矩的重要誘因 [28]。原子干涉重力儀和重力梯度儀除了在萬有引力常數、等效性原理(自由落體的普遍性)、引力紅移等基本物理驗證方面的測量應用外，也有望應用於火山、地下水、礦牀、潮汐動力學和冰凍圈(即地球上冰的分佈)的地球科學研究。此外，壓縮態光場注入的增強型干涉儀也有望提高引力波探測器LIGO的探測靈敏度 [29]。
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量子傳感技術的發展
量子傳感器與經典傳感器既有顯著區別(如由經典統計極限過渡到量子統計極限)，又有密切聯繫(如除了感知物理量的原子系綜處於相干量子態外，操控量子態的輸入信號和讀出信號仍依賴於經典的電信號)。同時，量子傳感器的使能組件及其對使用平臺環境的適應性也是制約量子傳感技術發展的主要因素。
3.1 建立在既有傳感器體系中的量子傳感器
在很多學術專著上，傳感器的定義被簡單地概括爲“一種接受激勵並以電信號響應的裝置”，這顯然不能完全概括目前有關量子傳感技術以及量子傳感器的全部內容。廣義的量子傳感，除了能夠覆蓋經典定義的傳感之外，其最具吸引力的地方，體現在對物理量的高準確度讀取以及高復現性和一致性(前者主要涉及探測靈敏度以及噪聲，而後者更關注的是如何提高準確度(或精度，其本質是一致性以及長期穩定性))，充分利用分立性給物理量探測所賦予的一致性，並從經典統計極限發展爲基於量子相干(或糾纏)的量子統計極限。
首先，量子傳感器在理論上有可能全面覆蓋經典傳感器所涉及的廣泛領域，但僅僅是在理論上。如果我們採納對量子技術的代系描述，那麼，第一代量子傳感器已經在其涉足領域內實現了對經典傳感器的顛覆，其代表性的技術是原子鐘、激光及其干涉技術、核磁共振，以及以原子爲基礎的電、磁、慣性傳感器等；以糾纏爲代表的第二代量子傳感技術目前主要受限於技術水平(特別是大規模糾纏源和宏觀糾纏態的製備、保持等)，實現技術替代需要相當長的時間，但具備巨大應用潛力。
其次，量子傳感器的現狀是被“困在”經典的輸入和讀出狀態下的。發展至今，量子傳感器的接收信號是經典信號(至少在被動探測下是如此，主動探測的量子信源的技術成熟度暫時還不足以進入實際應用)，輸出信號也是經典的電信號，所採用的噪聲抑制技術以及信息讀取方式，仍以經典的技術手段爲核心。
因此，現階段的量子傳感器(我們將其稱爲“傳統”的量子傳感器，主要指誕生於20世紀30年代、利用分立性而實現的對某種特定物理量進行測量的傳感技術，也可以被納入量子電子學技術)和經典傳感器在應用方面並沒有本質區別，這就使得量子傳感器的指標體系、評測方法和應用方向都需要向同類型的、已經存在的經典傳感器靠攏。量子科技的研究人員(特別是物理學家們)在與應用對接時需要特別注意。
3.2 量子傳感器的使能組件
量子傳感器中使能組件 (使能組件：保障量子傳感器性能指標的重要組件，是構成並實現量子傳感的核心元器件。) 的分類如圖1所示，主要包括光源類組件、傳感單元類組件、探測器類組件、環境控制類組件和信息處理類組件。 這些使能組件爲量子傳感器中的量子態製備、量子態演化和量子態檢測提供了硬件保障和軟件支撐，是實現量子傳感，進而實現量子信息感知的重要基礎。
圖1 量子傳感器中的使能組件及分類
2018年，美國國防部國防科學委員會特別小組經過近一年的研究，於2019年10月發佈了《量子技術的應用》報告。這是美國在2018年底確立量子技術國家計劃之後極爲重要的文件。在該報告最開始的兩份備忘錄中表達了非常明確且強烈的傾向性態度，強調聚焦“支撐廣泛量子技術的使能組件”，指出“可能產生持續差異性影響的技術是跨越不同量子技術應用範圍的技術——使能組件。可靠的、特徵明確的、可信的、製作精良的組件和實用集成技術結合，可能是獲得量子優越性和競爭優勢的最大因素。這對美國在當前競爭者已經緊跟其後的競爭中保持優勢，至關重要。”並在報告附錄中進一步明確了相關的使能組件技術。
表2列舉了美國能源部、歐盟量子旗艦計劃、美國國防部和美國光學學會的分析報告中提到的使能組件。可以看到，除超高真空、極低溫、單光子源和探測器等保障性技術外，激光器技術一直處於核心地位。另外，原子源(熱原子氣室、冷原子源等)也極爲重要，是量子信息技術未來產業的支柱，美國國防高級研究計劃局甚至專門立項支撐。需要特別注意的是，隨着片上集成光子學技術的發展，特別是有源片上光子學技術(激光器、放大器、調製器等)的工藝能力的快速提升，片上量子集成很有可能發展成下一個足以左右量子傳感器產業的核心。
表2 美歐代表性分析文件中的量子技術使能組件情況擇要
3.3 量子傳感器的適應性難題
在使用環境、載體平臺和綜合性能指標等約束條件下，研製高性能量子傳感器，獲取滿足應用要求的高質量信號，充分體現量子傳感技術的跨代甚至顛覆性優勢，是量子傳感器目前的重要任務之一(圖2)。量子傳感器走向應用，必然面臨體積(size)、重量(weight)、功耗(power)和費用(cost)等問題(簡稱SWaP-C)。量子傳感器普遍存在體積重量大、功耗高、費用昂貴、環境適應性不足等問題，部分技術本質上還處於實驗室階段。如何在SWaP-C的制約條件下，設計出具備市場競爭力的量子傳感器產品，將是量子傳感器進一步發展的關鍵。量子傳感技術領域的科學家和工程師必須學會向各種條件和環境限制進行妥協，才能發展出具有真正意義的實用化量子工程產品。
圖2 量子傳感器面臨的適應性約束條件示意圖
例如，集成光子學技術，特別是有源器件的片上異質集成是未來非常重要的技術之一。但片上集成技術使用固態材料會導致更強的熱噪聲；微型氣室或金剛石NV色心等方案，則由於粒子數減少，相應地減少了參與相互作用過程的原子數(人造原子數)，限制了傳感器的靈敏度和精度。對於靈敏度和精度要求較高的應用場合，集成技術很難替代傳統方案，需在原理上做實質性創新。小型化、高穩定性、長壽命等工程技術是量子傳感器必須攻克的一道致命的難關。
另一方面，和傳統傳感器一樣，量子傳感器的應用必然受到載荷平臺和使用環境的嚴格約束，且量子傳感器對平臺和環境要求更加苛刻。探測性能很容易被淹沒在平臺干擾和環境噪聲中，需要在更高的精度下深入研究平臺噪聲補償和環境噪聲剔除等新技術。從實際使用情況看，多傳感器協同下對平臺機動參數的高精度檢測也是至關重要的。
與傳統傳感器不同的是，幾乎所有的量子傳感器，其核心都依賴於量子態的相干性，而相干性的保持對外界環境的要求極高。例如，對於原子磁傳感器，要想充分發揮其磁場探測性能，對於外磁場的均勻性有極爲嚴苛的要求——磁場梯度會造成原子磁傳感器磁共振信號的展寬，從而大大限制了其磁場探測靈敏度指標。相較而言，傳統的傳感器(如基於電子元器件)雖然極限傳感性能指標受限，但勝在環境適應性強，在不同的環境條件下，都能夠充分發揮其傳感能力。因此，如何在複雜的實際環境中，充分兌現量子傳感器的性能優勢，是目前量子傳感亟待解決的核心問題之一。
4
展望——從量子傳感到量子信息感知
量子傳感是物理層的，是對物理信號的量子探測與傳感，是量子信息感知的重要物理基礎和物理實現上的必要條件。量子信息感知則是信息層的，是對信息的感知，除了必需的高靈敏度的量子傳感外，還需要增加協議、算法、軟件以及高空間—時間分辨率的信號處理等數學層的東西，才能夠達成充分條件從而構成信息層，具體關係如圖3所示。
圖3 從量子傳感邁向量子信息感知(圖中的Q表示Quantum，A表示AI)
總體而言，自20世紀30年代以來，量子傳感技術已歷經近一個世紀的發展，其技術外延也伴隨着人們對微觀世界認知的不斷深入而不斷拓展。這其中，信息技術以及量子理論的發展起到了決定性的推動作用。從早期針對經典傳感技術而形成的諸如原子鐘、原子磁傳感器、原子陀螺儀、原子重力儀等各類以微觀粒子分立性爲核心的量子傳感技術(即第一次量子技術革命的代表性技術)，到以量子相干、量子糾纏爲核心，能夠突破經典統計極限的量子精密測量技術，以及建立在早期量子傳感技術和量子精密測量技術基礎上的量子計量技術(即第二次量子技術革命的代表性技術)，量子傳感的概念及範圍始終處在不斷更新、拓展的過程中。相較於早期階段，已經發生了翻天覆地的變化。以此爲基礎，面向以人工智能機器學習爲代表的新一輪信息化浪潮，量子傳感技術也必將迎來新一輪發展契機——從單一維度的物理信號的傳感邁向更多維的信息感知，充分兌現量子傳感技術爲信息感知所賦予的高精度、高靈敏度、多維度等優勢，推動實現從“信號傳感”到“信息感知”的實質性進程。
(1)傳統的量子傳感。核心仍是基於全同微觀粒子的分立性，其發展方向主要體現在如何進一步提升量子傳感器的環境適應能力，以及與第二次量子革命以來的基於量子糾纏的量子精密測量技術進行結合。經過數十年的發展，依託經典噪聲抑制技術及信號提取技術，此類量子傳感器已經充分證明了其優異的傳感性能。例如，原子磁傳感器目前已經可以逼近亞fT量級的磁場探測能力，其磁傳感性能是傳統意義的磁傳感器所無法比擬的，充分體現了以量子態操控、讀取爲核心的量子傳感技術的巨大優勢及潛力。更進一步，需要提高此類技術在更實際、更復雜應用場景下的傳感性能，緊密圍繞以SWaP-C爲核心來發展此類量子傳感技術，以期進一步拓展潛在應用方向。
(2)量子精密測量。以微觀粒子分立性以及量子相干和量子糾纏爲核心的量子測量理論與技術。核心是如何在探測資源有限的情況下(如相互作用的原子數)，突破限制傳統測量精度的統計極限，逼近測量精度的量子極限(海森伯極限)。截至目前，在小尺度的量子體系中，量子精密測量理論及技術均已有非常廣泛的研究基礎。
需要注意的是，發展至今，量子精密測量和量子傳感在研究對象以及核心目標方面，仍存在一定的差異，不能混淆：量子精密測量主要關注如何通過合適的量子操控手段以及特殊量子態的製備，在有限資源條件下，獲得更低的測量不確定度(從經典統計極限過渡到量子極限)、更低的測量系統誤差以及更高的可重複性；而量子傳感更關注的是針對特定物理量變化量的敏感程度。兩者也在各自的發展進程中不斷融合——量子精密測量中的技術方案以及理論、協議，需要能夠拓展到更大尺度、更宏觀的量子體系中，即更多的相互作用粒子數；傳統的量子傳感技術，在保證傳感性能的基礎上，需進一步壓制技術類噪聲等經典噪聲(或與量子噪聲有相互影響的交叉噪聲)，使傳感器的噪聲水平由經典噪聲佔主導，過渡到由量子噪聲佔主導，爲不斷髮展的量子精密測量技術及理論與量子傳感的結合提供契機，從而有望帶來量子傳感技術性能指標的革命性突破。
(3)量子計量。以傳統量子傳感技術以及量子精密測量技術爲基礎，量子計量主要有兩層含義。一方面，國內提及量子計量通常指的是計量領域的量子化，特指2019年5月20日開始的國際單位制基本物理量常數化溯源問題——國際單位制下的7個基本物理量的計量標準由實物過渡爲基本物理常數。量子計量是計量領域的重大事件，帶來了計量領域的深刻變革，其發展至今，離不開量子傳感以及量子精密測量技術的支撐。此外，更重要的一點是，量子計量的重要性因計量技術本身的法定意義而得到高度重視。另一方面，學術文獻中的量子計量(quantum metrology)有另一層含義，並與量子信息論和量子信息技術緊密相連，指的是“量子計量學是使用量子理論來描述物理系統，對物理參數進行高分辨率和高靈敏度測量的研究，特別是利用量子糾纏和量子壓縮。該領域有望開發出比在經典框架中執行的相同測量精度更高的測量技術。與量子假設檢驗一起，它代表了量子傳感基礎上的一個重要理論模型”，這一點與量子精密測量息息相關。總而言之，伴隨着技術的不斷推進，傳統的量子傳感技術與量子精密測量也將會不斷融合，互相之間的界限也將趨於模糊。
(4)量子信息感知。信息感知體現爲利用多種手段獲取不同層次、不同特徵的信息，並通過多方面的信息處理以及信息解讀，從而得到針對某一事件更多維度、更全面的感知。信息感知是傳感技術發展到一定程度的必然結果，體現了從局部到整體的認知過程。信息感知需要具備若干基本要素：從傳感器方面，需要具備高精度、高靈敏、多維度的對物理信號的傳感方式；在信息處理方面，需要具備相當水平的算力，並充分結合信息論的有關數學、物理模型，從而快速、準確並有效地識別大量傳感器所提供的有效信息，達到去僞存真和還原被測目標完整面貌的基本目的。
具體而言，量子傳感技術以及人工智能的發展，爲實現新型的信息感知能力，提供瞭如下重要契機：
更全面、更精準的信息來源——量子傳感從物理層面能夠獲取更細微、更精確、更可靠的信號，也能夠充分保證信息獲取的可靠性以及可重複性。伴隨着量子傳感器體積、功耗、環境適應性，以及成本的不斷降低，在更實際的應用場景下佈置更多數量、更多種類的量子傳感器，並充分結合量子時頻、量子信息安全等技術，構築更安全、時延控制更精準的高精度傳感器網絡，有助於最終獲取多維度的海量信息。
更智能、更迅捷的信息處理——目前，人工智能技術如火如荼，人工智能領域的突破性進展主要得益於幾項關鍵技術：大數據的積累、算力的飛速增長、深度學習算法的不斷完善等。海量可靠的數據是訓練人工智能的關鍵基礎。充分結合人工智能以及深度學習算法，能夠更迅捷地從多維度的傳感器網絡中提取更有效的信息。量子傳感器網絡能夠爲人工智能及深度學習算法提供更多維度、包含更多信息的數據來源，能夠使得人們從更全面的角度，理解、掌握某一類具體場景的真實情況，例如，利用可廣泛佈局於人體不同部位的高靈敏度傳感器，可以更全面地獲取人體的生命活動信息，通過一定的機器學習算法，對於部分疾病的早期診斷以及預判，能夠提供重要的技術參考。
更廣泛、更科學的信息定義——信息是無序的體現，早期有關信息的定義主要基於香儂所提出的信息熵。一方面，僅信息熵本身就有很多地方值得深入挖掘；另一方面，如果將信息推廣到一般意義的無序，那麼關於無序的物理以及數學上的描述，也並不唯一。比如，關於熵的定義就有很多種，如雷尼熵(Renyi entropy)、近似熵(approximate entropy)、取樣熵(sample entropy)、模糊熵(fuzzy entropy)、傳遞熵(transfer entropy)、分佈熵(distribution entropy)，等等。從這個角度看，信息的維度以及範圍是非常廣泛的。如何獲取更精準、更全面、更有價值的信息，不僅對量子傳感技術提出了硬件方面的要求，也需要充分結合信息的內涵以及外延方面的拓展，並針對不同的應用場景，對人工智能輔助下的信息處理以及信息篩選提出相應的技術發展要求。總之，人工智能和量子傳感的結合，是從傳統的量子傳感邁向量子信息感知的關鍵。
此外，量子傳感、量子通信和量子計算在量子比特的統一表達下或許會形成全新的信息科學架構。不同於當前的通感算一體化概念，量子傳感、量子通信和量子計算融合的內在邏輯支點是對量子體系與信息應用的深入理解和技術融合，其外在要求是大規模量子糾纏技術實現，其本質是信息的承載和處理方式徹底擺脫經典信息形式的束縛。這需要等待通用量子計算所引領的核心技術的重大突破，並以此爲基礎構建新的量子信息大廈。
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結 語
本文介紹了量子傳感的核心應用以及未來展望。總體而言，量子傳感已經在應用層面逐步聚焦，其核心應用主要體現在導航定位、授時、生命科學、基礎物理、遙感等領域。當前，實用化程度最高的量子傳感技術仍主要集中於第一次量子革命的代表，以糾纏爲核心的量子傳感技術仍主要處於實驗室階段，但已充分證明了其在提升傳感性能方面的顛覆性效果。以此爲基礎，如何與各種條件和環境限制相妥協，研製、發展兼具小型化、低功耗、高穩定、長壽命，以及環境適應性的量子工程產品，是量子傳感器在應用方面必須要突破的瓶頸問題。更重要的是，以人工智能機器學習爲代表的新一輪信息化浪潮，來勢迅猛，已逐漸成爲大勢所趨，量子傳感技術也正迎來新一輪發展契機，如何從單一物理層面的信號(signal)傳感，發展爲物理+數學+人工智能的信息(information)感知，既需要在物理層面發展多維度的量子傳感技術，也需要在數學層面深入挖掘信息的本質，還需要充分結合通用量子計算以及人工智能給信息處理所帶來的顛覆性能力，真正實現從量子傳感邁向量子信息感知。
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（參考文獻可上下滑動查看）
《物理》50年精選文章