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• 量子感測利用量子態對環境的敏感性感測外界變化，例如電場、磁場等，可應用於探測石油、導航，甚至是預測地震。
• 量子感測器可區分為單一量子體感測器和集體感測器，前者如單光子3D相機；後者則有以中性原子氣體的原子自旋測量磁場。
• 現階段量子感測的研究著重在如何將量子糾纏融入感測器中，例如利用量子糾纏以偵測雷達反射波極弱的隱形戰機。

 
2015年，美國科技公司IBM將超導量子位元的去相干（decoherence）〔註〕時間一舉提升了五個數量級，達到毫秒等級，且超越執行量子計算除錯所需的最小閾值（threshold）。此研究重新點燃量子電腦自2000年左右發展以來逐漸冷卻的熱情，更進一步帶動整個量子科技的崛起。
 

〔註〕指量子系統的相干性隨時間推移而逐漸消失的過程。

 
量子科技是一種應用到量子力學的技術，主要包含量子電腦與模擬器、量子通訊與網路，以及量子感測。其中，量子電腦與量子通訊是量子科技推動計畫（quantum technology initiatives）的主要推動項目，因此較受到媒體矚目，也被認為有機會實現。量子感測則是近年來浮現的另一個重要方向，雖然不像量子電腦與量子通訊那樣受關注，但量子感測所使用的許多概念與方法在實驗室已行之有年。如果使用時機適當，量子感測的實現機會反而最高。
 
究竟量子感測的基本概念為何？能夠衍生出哪些量子感測器？

量子感測器的原理

1964年誕生的超導量子干涉儀（superconducting quantum interference device, SQUID）利用兩個約瑟夫森接面（Josephson Junction）串連形成迴圈，可測量磁場強度精準至10-14特斯拉（T），是發展最早的量子感測器。然而它需要在低溫環境下運作，因此雖然有廣泛的應用但仍無法普及。量子感測的基本原理是利用量子態對環境的敏感性，感測外界的環境參數變化，例如電場、加速度、磁場、旋轉、重力、時間的流逝，以及所在座標系的轉動。這些感測如果夠靈敏，就可以應用於探測石油（重力感測）、導航，甚至是預測地震。而「利用對環境的敏感性」這點正好與量子力學應用在量子電腦的情形相反⸺量子電腦的製作希望能避免環境干擾所造成的去相干。實際上，量子感測所利用的量子態特性可被區分為以下三種：
 
1. 利用量子物體的量子化測量物理量，包括場的量子化和物質量子化的能階。具體例子包含單光子（電磁場的量子化）偵測、超導或自旋量子位元（二能階），以及中性原子或捕獲離子中的電子、磁性、振動能階。
2. 利用量子相干（quantum coherence），也就是物質波在空間或時間的疊加態測量物理量。
3. 利用量子糾纏提高靈敏度或測量精度。

量子系統還需滿足迪文森佐準則（DiVincenzo's criteria）中的四個條件，才能成為量子感測器：
 
1. 此量子系統需有離散且可被解析的能階。我們一般會假設它是一個兩能階系統（或兩能階系統的集合），此系統可視為一個量子位元或多個量子位元的集合。
2. 此量子系統必須能夠初始化，進入一個眾所周知的狀態並且能被讀取。
3. 此量子系統可被相干的操控，也就是能操控系統使它成為能態相干疊加的狀態，此操控通常會透過隨時改變的電磁場進行。
4. 此量子系統可透過靜電場或靜磁場與外界耦合，以改變量子位元的能階。
 
由以上條件所建構出的量子感測器，又可區分為單一量子體（單一量子位元）的感測器與集體感測器（ensemble sensors）。其中單一量子體感測器的靈敏度，通常可以透過增加感測器數目成為集體感測而提高。它的原理來自N個獨立測量的中央極限定理（central limit theorem），基本上是利用重複測量降低測量不準度。當感測器數目或重複測量的次數為N時，測量不準度將正比於1/√N，此為標準量子極限（standand quantum limit）。當N個感測器（或N次測量）之間沒有量子糾纏的測量誤差極限時，適當利用量子糾纏可將誤差進一步降低到海森堡極限（Heisenberg limit）。此時測量不準度正比於1/N，靈敏度可大幅提升。……【更多內容請閱讀科學月刊第650期】