一. 何为量子传感和量子传感器？

“量子传感”，顾名思义，就是利用量子力学效应来对一件小的物件进行探测，从而得到这个物件的一些信息。更精确的说，“量子传感”可以指以下三种之一：

1. 利用一个量子物体去测量某个物理性质。这个物体可由离散能级来表征。典型的如超导qubit、自旋qubit、囚禁离子qubit的电磁态或振动态。
2. 利用量子相干效应去测量某个物理性质。这可以通过空间上的波函数叠加来实现。
3. 利用量子纠缠来提高传感灵敏度或测量精确度。通常可以超出经典极限。

这三种类型我们分别称为I型、II型、III型量子传感。其中I、II型涵盖了绝大多数的物理系统，更贴近应用；而III型更倾向于提供测量上的优越性。

而量子传感器为何？简单来讲就是实现量子传感的器件，当然这很不严格。我们可以参考量子计算机的DiVincenzo判据来给出量子传感器的判据：

1. 量子系统具有离散、可解的能级。通常为 $|0⟩,|1⟩$ 组成的二能级系统或系综，能级差 $𝐸=\hslash {𝜔}_0$ 。
2. 器件可以将量子系统初态转换为一个熟知的量子态并可以从外界读出。
3. 量子系统可以相干调节（简单理解为干涉）。通常使用时变场。
4. 量子系统与一个相关的物理量 $𝑉(𝑡)$ 相互作用。通常为电磁场。这个相互作用可用耦合参数或转导参数（transduction） $𝛾={\displaystyle \frac{{\mathrm{\partial }}^{𝑞}𝐸}{\mathrm{\partial }{𝑉}^{𝑞}}}$ 来表征，其中 $𝐸$ 为能级差。 $𝑞=1$ 对应线性耦合， $𝑞=2$ 对应二次耦合。

当然这些判据并不是必须的——比如不一定是二能级系统，同时也可以不是相干调节，如弛豫率测量也是可以的。

二. 目前有哪些类型的量子传感器？

近25个坤年以来，物理学家也是通过各种媒介来实现量子传感。这里介绍一些主流的方式。

1. 中性原子

中性原子没有净电荷，它主要靠基态自旋（电子自旋和核自旋耦合）来作为媒介的，可以通过具有选择性的光学偶极跃迁实现。

a. 原子蒸气

这是最简单的一个方式。通过光的法拉第效应将热原子蒸气进行自旋极化，然后借助塞曼效应，实现垂直极化方向微弱磁场的测量。这种方式以简洁性著称。

b. 冷原子云

该媒介的原理是利用激光冷却技术，将原子在空间上囚禁起来，让它们在特定的轨迹上运动，从而利用这些囚禁原子进行传感探测。典型的应用是探测微观尺度的磁场，如利用拉莫尔进动等。当然比较先进的一种是用于干涉加强传感，其中的干涉是通过自旋压缩（spin squeezing,我会单独开一篇讲）来实现。

2. 囚禁离子

这种方式就是利用电磁场将离子在真空中囚禁，而离子的能级又和外电场通过偶极跃迁而强烈关联起来，从而可以利用拉曼冷却和激光光谱将能级读出，获得能级间隔的信息。由此可以探测外力场等。

而考虑到离子的基态自旋子能级也是对磁场敏感的（和中性原子类似），因此也可以用于探测磁场。

3. 里德伯原子

里德伯原子是处于高激发态的原子，其由于在电场下表现的强电偶极跃迁和强斯塔克效应而可用于与激光有关的传感中。

一个有名的案例是将真空中的里德伯原子作为单光子探测器，用来检测低温腔内的微波频光子，这也是2012诺奖的一个内容。

4. 原子钟

原子钟以原子跃迁频率为媒介，其跃迁频率在很高精度下可认为绝对不变的。但这个“不变频率”是不能作为传感来使用的，原子钟一般作为参考振荡器使用。

而为了用于量子传感，则可以将跃迁频率和一个不稳定的振子去比较，然后每次比较后都将振子与原子钟去锁相，也就是说原子钟起到了一个对振子相对相移进行一个测量和稳定的作用。反过来，也可以利用这个锁相的原理来探测外场。

5. 固体自旋系统——系综传感器

a. NMR系综

NMR即核磁共振，该类传感器基于核自旋的拉莫尔进动来对外场进行测量。其中固体自旋初态的制备则可以利用外场下的热化（thermalization），即达到一个热平衡状态。这种思路已经在陀螺仪中有所应用。

b. NV色心系综

NV色心即氮空位（nitrogen-vacancy）色心，是指金刚石晶体中一个C被N替换且在N附近存在一个C缺陷，亦即电子自旋缺陷。这种结构为自旋提供了一个类似于“真空冷冻室”的作用，在提供强电（磁）偶极的同时，也由于高自旋密度而提供有效的光学读出手段，如荧光探测。同时，该结构在室温下依然具有很好的相干性。

但该媒介在推广到大体积固体时也有缺陷，一个是难以实现对大型NV色心的荧光探测——很难给出吸收和色散关系；另一个是相干时间，由于NV色心自旋和N自旋的相互作用，导致NV色心自旋的退相干时间下降到了不到1%。不过，在小尺度的探测中还是颇有成果的。

6. 固体自旋系统——单自旋传感器

单自旋传感利用了固体自旋的单自旋读出方法，主要包括电读出和光读出两种。前者的例子有掺磷硅、静电控制的半导体量子点等，后者的例子有单有机分子、光敏量子点等，因技术具有较强针对性，这里不再赘述。

一类典型的系统就是单NV色心，其室温光探测的可行性以及微纳尺度下的高稳定性给予其很大的优势。已经有报道的就有基于单NV色心的磁感器、压感器、磁成像等。

7. 超导环路

a. SQUID (超导量子干涉仪)

SQUID (Superconducting QUantum Interference Device，超导量子干涉仪)，是基于超导波函数AB（Aharonov-Bohm）相位的元件，该相位由环绕的磁场确定，而该相位又可以通过对相位敏感的约瑟夫森结来进行测量，从而达到对外场传感的目的。

该类传感器可以说是最老且最敏感的量子传感器。

b. 超导量子比特

该媒介是借助电荷本征态或超电流的叠加来构造超导量子比特，由于具有强电（磁）偶极作用，因此可以借助这些qubit实现对外场的感应。

8. 基本粒子量子比特

此类媒介是直接将一些基本粒子作为量子比特来实现量子传感，其一大优势是初始化和读出都很直接。

a. μ子

μ子和电子一样属于轻子，带有一个单位电荷和自旋，而这个自旋便可用于量子传感，以此为媒介的传感方式称为μ子自旋技术（μSR，muon spin rotation）。

其中制备μ子的方式是利用光子碰撞产生 ${𝜋}^{+}$ ，然后衰变得到反μ子：

${𝜋}^{+}\to {𝜇}^{+}+{𝜈}_{𝜇}$

而由于弱相互作用的宇称不守恒，μ子的初态自旋自动和其动量平行。

读出的方式即利用μ子的衰变

${𝜇}^{+}\to {𝑒}^{+}+{𝜈}_{𝑒}+{\overline{𝜈}}_{𝜇}$

测量其中产生的正电子方向即可，而正电子的运动方向主要集中于μ子的自旋方向。从而实现传感的作用。

b. 中子

该媒介的传感方式是先将中子在磁性材料上发生布拉格散射，使其自旋极化，然后借助局域磁场实现自旋的旋转，最后的读出则可以借助对自旋敏感的布拉格分析器来实现。该思路的一个早期应用是对Berry相位的测量。

还有一个典型应用是中子自旋回波（spin echo）技术，通过加外场使其磁共振（抵消失相），进而将中子当作一个钟的作用，测量中子的飞行时间。而利用飞行时间的测量，又可以测量材料性质，因为材料会使中子发生非弹性散射，改变中子的飞行速度进而改变飞行时间，同时可以测出能量损耗来反应进一步的性质。

9. 杂项

a. 单电子晶体管

单电子晶体管（SET，single electron transistor）利用其源和漏之间的金属岛，测量内部的隧穿电流，进而实现对外电场的传感。而在尺度约100nm的金属岛中，仅当电荷本征态能量在源漏费米能级之间这么一个窄窗口内时，才可能发生隧穿。因此该器件对弱电场有很强的敏感性。

b. 光力

该思路是利用声子的振动离散能级，来模拟一系列单粒子的振荡，而这些振荡又可以与外光场发生强耦合。从而可以利用这种耦合来对光场进行感应。

该方法的一个困难是声子数量本征态以及叠加态的制备较难，但与光场的强耦合性使得传感的启动和读出显得很有效。目前光力传感已经在力传感、加速度传感、质量传感、磁场传感等有了实现。

c. 光子

该方法主要利用光的压缩以及光关联。光压缩是早于自旋压缩实现的一个手段，其可以产生部分纠缠态，在一个方向上具有比经典光更小的相位或振幅波动，从而可以提高传感的灵敏度，这在引力波探测中已经得到应用。而光子的量子关联又可以作为成像的一个来源，这可以追溯到Hanbury-Brown-Twiss实验——利用光子聚束效应（bunching）来实现对那些直径低于望远镜衍射极限的星体的观测。更多的应用可参考量子光学领域的成果。

10. 小summary

以上总结了近几十年来主要的量子传感器类型，也有相当多的小领域传感器如石墨烯NEMS系统等在不同领域中有特别应用前景。原文中也给了一个详细表格，其总结了以上各种传感器的类型、传感量、特征频率、传感器类型等性质：