近日，東京工業(yè)大學(xué)研究人員提出了一個解決電動汽車低效的方案

量子傳感器是根據(jù)量子力學(xué)規(guī)律、利用量子效應(yīng)設(shè)計的、用于執(zhí)行對系統(tǒng)被測量進(jìn)行變換的物理裝置。美國陸軍研究實(shí)驗(yàn)室傳感器與電子設(shè)備局物理學(xué)家Qudsia Quraishi博士指出，下一代精確傳感系統(tǒng)涉及量子傳感器，量子傳感器基于激光冷卻原子，極可能大幅提升系統(tǒng)性能。激光冷卻原子是小型相干氣體原子，可以測量重力場或磁場變化，不僅非常精確，而且靈敏度很高。

美國陸軍正在探討的量子傳感技術(shù)領(lǐng)域包括：陀螺儀、磁力測定、重力梯度測量、下一代小型傳感器以及原子電子技術(shù)。利用陀螺儀，可以測量物體旋轉(zhuǎn)變化，因此原子陀螺儀可以用于精確導(dǎo)航和地震探測。重要的是，基于原子的導(dǎo)航不需要GPS信號，因此，可以在GPS拒止環(huán)境下使用。總之，量子傳感技術(shù)將給美國陸軍帶來諸多益處。 [1] 2022年，研究人員發(fā)現(xiàn)了一種生產(chǎn)納米鉆石的新方式。這種鉆石未來還能用于高靈敏度的量子傳感器。

近日，麻省理工學(xué)院研究人員開發(fā)了一種方法，使量子傳感器能夠檢測任意頻率，并且依然具有在納米尺度上進(jìn)行測量的能力。來自麻省理工學(xué)院(MIT)目前，團(tuán)隊(duì)已為新方法申請了專利保護(hù)。通過這一方法，能夠擴(kuò)展超靈敏的納米級量子探測器的能力，并可潛在應(yīng)用于量子計算和生物傳感領(lǐng)域。相關(guān)成果發(fā)表在《物理評論X》(Physical Review X)。

據(jù)悉，量子傳感器本質(zhì)上是其中一些粒子處于微妙平衡狀態(tài)的系統(tǒng)，即便是所在場產(chǎn)生微小變化，也會影響系統(tǒng)中粒子的狀態(tài)。量子傳感器可利用中性原子、被囚禁的離子和固態(tài)自旋等多種形式，采用這些傳感器的研究也得以迅速發(fā)展。例如，物理學(xué)家使用量子傳感器來研究物質(zhì)的奇異狀態(tài)，包括時間晶體和拓?fù)湎?。但很多令科學(xué)家感興趣的物理現(xiàn)象仍會涉及較大頻率范圍，超過現(xiàn)有量子傳感器的探測范圍。此次，由麻省理工學(xué)院核科學(xué)與工程學(xué)、物理學(xué)教授Paola Cappellaro團(tuán)隊(duì)和隸屬于美國國防部的林肯實(shí)驗(yàn)室人員設(shè)計出一個新系統(tǒng)，他們稱之為量子混合器(quantum mixer)，也可稱為量子混頻器。該混頻器通過一束微波向探測器射入第二個頻率，通過頻率的轉(zhuǎn)換，使探測器能夠定位到任何需要的頻率，而不會損失傳感器的納米級空間分辨率。

近日，東京工業(yè)大學(xué)研究人員提出了一個解決電動汽車低效的方案。該團(tuán)隊(duì)報告了一種基于鉆石量子傳感器的檢測技術(shù)，該技術(shù)可以在測量電動汽車大電流時，以1%的精確度估計電池電量。

電動汽車低效的一個主要原因是對電池電量估計不準(zhǔn)，電池的充電狀態(tài)是基于電池的電流輸出來測量的，據(jù)此可估計車輛的剩余行駛里程。

通常情況下，電動汽車電池的電流可達(dá)到數(shù)百安培，能夠檢測到這種電流的商用傳感器無法測量毫安級別的電流的微小變化，導(dǎo)致在估計電池電量時約有10%的模糊性，這意味著電動汽車的續(xù)航里程可延長10%。

此次研究中，該團(tuán)隊(duì)使用兩個鉆石量子傳感器制作了一個原型傳感器，這兩個傳感器放置在汽車母線(進(jìn)出電流的電子接頭)的兩側(cè)。他們使用了“差分檢測”技術(shù)，消除了兩個傳感器檢測到的共同噪聲，只保留了實(shí)際信號，從而能在背景環(huán)境噪聲中檢測到10毫安的小電流。

研究團(tuán)隊(duì)對兩個微波發(fā)生器產(chǎn)生的頻率進(jìn)行了模擬—數(shù)字混合控制，以在1千兆赫的帶寬上追蹤量子傳感器的磁共振頻率。他們發(fā)現(xiàn)，磁共振頻率可實(shí)現(xiàn)±1000安的大動態(tài)范圍(檢測到的最大電流與最小電流之比)。此外，該傳感器在-40℃至85℃的寬工作溫度范圍涵蓋一般的車輛應(yīng)用。

最后，該團(tuán)隊(duì)對這一原型進(jìn)行了全球統(tǒng)一輕型車輛測試循環(huán)(WLTC)駕駛測試，這是一種電動汽車能耗的標(biāo)準(zhǔn)測試。該傳感器準(zhǔn)確跟蹤了-50安到130安的充放電電流，電池電量估計精度在1%以內(nèi)。

研究人員稱：“將電池使用效率提高10%，這將使2030年2000萬輛新型電動汽車的運(yùn)行能耗減少3.5%，生產(chǎn)能耗減少5%。這又相當(dāng)于2030年全球運(yùn)輸領(lǐng)域二氧化碳排放量減少0.2%?！?

量子傳感器本質(zhì)上是其中一些粒子處于微妙平衡狀態(tài)的系統(tǒng)，即便是所在場產(chǎn)生微小變化，也會影響系統(tǒng)中粒子的狀態(tài)。量子傳感器可利用中性原子、被囚禁的離子和固態(tài)自旋等多種形式，采用這些傳感器的研究也得以迅速發(fā)展。例如，物理學(xué)家使用量子傳感器來研究物質(zhì)的奇異狀態(tài)，包括時間晶體和拓?fù)湎唷５芏嗔羁茖W(xué)家感興趣的物理現(xiàn)象仍會涉及較大頻率范圍，超過現(xiàn)有量子傳感器的探測范圍。此次，由麻省理工學(xué)院核科學(xué)與工程學(xué)、物理學(xué)教授Paola Cappellaro團(tuán)隊(duì)和隸屬于美國國防部的林肯實(shí)驗(yàn)室人員設(shè)計出一個新系統(tǒng)，他們稱之為量子混合器(quantum mixer)，也可稱為量子混頻器。該混頻器通過一束微波向探測器射入第二個頻率，通過頻率的轉(zhuǎn)換，使探測器能夠定位到任何需要的頻率，而不會損失傳感器的納米級空間分辨率。

在實(shí)驗(yàn)中，研究團(tuán)隊(duì)使用了一種基于金剛石中氮-空位色心陣列的特殊裝置。氮-空位色心(NV色心)，是鉆石晶體結(jié)構(gòu)中常見的點(diǎn)缺陷，由氮原子取代碳原子和相鄰空穴而形成，利用其在磁場中的量子順磁共振效應(yīng)及熒光輻射特性可進(jìn)行精密磁測量，可被廣泛應(yīng)用于量子傳感。

電子自旋共振譜儀基于金剛石中氮-空位色心陣列探測結(jié)果，圖片來自論文基于前述裝置，團(tuán)隊(duì)成功演示了如何使用頻率為2.2千兆赫(GHz)的量子比特探測器，探測到頻率為150兆赫(MHz)的信號。以往如果不借助量子多路復(fù)用器，這是無法實(shí)現(xiàn)的。然后通過推導(dǎo)一個基于弗洛凱(Floquet)理論的理論框架，團(tuán)隊(duì)對這一過程進(jìn)行了細(xì)致分析，并在一系列實(shí)驗(yàn)中測試了該理論的數(shù)值預(yù)測。弗洛凱理論是常微分方程理論的一種。“同樣的原理也可以應(yīng)用于任何類型的傳感器或量子設(shè)備。”論文第一作者、麻省理工學(xué)院研究生王國慶說道，“這一系統(tǒng)是獨(dú)立的，探測器和第二個頻率源都封裝在一個設(shè)備中?！?

他表示，前述系統(tǒng)可以用于詳細(xì)描述微波天線的性能。工作于米波、厘米波、毫米波等波段的發(fā)射或接收天線，統(tǒng)稱為微波天線?！霸撓到y(tǒng)能夠以納米級分辨率描述(由微波天線產(chǎn)生的)場的分布，所以它在這一領(lǐng)域很有前景?！?

盡管其他方法也可以改變部分量子傳感器的頻率靈敏度，但均離不開大型設(shè)備和強(qiáng)磁場。而這些恰恰會降低精度，無法達(dá)到新系統(tǒng)所實(shí)現(xiàn)的超高分辨率。例如，用于調(diào)整傳感器的強(qiáng)磁場，可能會破壞量子材料的特性，從而影響想要測量的物理現(xiàn)象。

麻省理工學(xué)院教授Cappellaro表示，前述系統(tǒng)可能會在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域產(chǎn)生新的應(yīng)用，因?yàn)樗梢栽趩蝹€細(xì)胞水平上獲得一系列頻率的電、磁活動。“使用現(xiàn)有的量子傳感系統(tǒng)很難獲得這類信號的有用分辨率?！钡孪到y(tǒng)也許可以檢測出單個神經(jīng)元對某些刺激做出反應(yīng)時的輸出信號，這些刺激通常會包含大量噪聲，使得輸出信號難以分離出來。新系統(tǒng)還可能用于詳細(xì)描述奇異材料的行為，例如二維材料的電磁、光學(xué)和物理性質(zhì)。