Квантовые сенсорные сети, входящие в сферу применения квантовых технологий, являются ключевым мостом, способствующим успешному переходу этой технологии от теории к практическому применению. Это достигается за счет подключения нескольких квантовых датчиков в отдельном состоянии для формирования сети. Используя такие эффекты, как квантовая запутанность, можно достичь беспрецедентно высокого уровня точности измерения физических величин. В настоящее время эта технология быстро переходит от лабораторной стадии к практической стадии, демонстрируя преобразующий потенциал во многих передовых областях. В этой статье мы подробно рассмотрим, как работает эта технология, ее последние достижения, конкретные сценарии применения и проблемы, с которыми она столкнется в будущем.
Как сети квантового зондирования расширяют пределы точности классических измерений
Сети квантовых датчиков имеют основное преимущество: они способны преодолеть «стандартный квантовый предел», который является теоретической границей, которую традиционные датчики не могут преодолеть из-за ограничений классической физики и квантового шума. Его принцип работы заключается не просто в физическом соединении нескольких датчиков, а в использовании квантовых ресурсов, таких как запутанные состояния, для объединения их в единое целое, которое может работать вместе.
Качественные изменения, вызванные этой корреляцией, происходят на двух уровнях. Одним из них является точность измерения, достигающая предела Гейзенберга. В частности, точность будет демонстрировать квадратичное улучшение с увеличением количества ресурсов, таких как количество фотонов или количество датчиков, что намного превышает линейное улучшение классического метода. Во-вторых, он может полагаться на тщательно продуманные запутанные состояния, чтобы сделать всю сенсорную сеть чрезвычайно чувствительной к целевым сигналам, распределенным в определенном пространстве. В то же время он кажется невидимым для широко распространенного шума окружающей среды, что позволяет сохранять относительно высокую чувствительность в шумной обстановке.
Каковы последние экспериментальные разработки в области распределенных сетей квантового зондирования?
В последнее время эксперименты добились прогресса, ясно демонстрируя путь от концепции к реальности сетей квантового зондирования. Команда Корейского института науки и технологий успешно создала первую в мире сеть распределенного квантового зондирования со сверхвысоким разрешением. Они использовали технологию запутывания «многомодовое состояние N00N» и достигли точности измерений примерно на 88% выше, чем традиционный метод в эксперименте, приближаясь к теоретической границе максимальной точности.
В то же время исследовательская группа Шаньсийского университета совершила прорыв в области квантово-усовершенствованных сетей оптического восприятия силы. Путем экспериментов они построили сеть, состоящую из четырех датчиков оптической силы и четырехкомпонентных запутанных состояний. При измерении некогерентных сил его разрешающая способность была улучшена на 33,7% по сравнению с традиционной схемой разделения. Эти эксперименты не только подтвердили квантовое преимущество, но и заложили основу для расширения масштаба сети за счет улучшения стабильности работы датчиков.
Каких конкретных применений могут достичь сети квантового зондирования в области медицины?
Его самое прямое применение — высокоточное обнаружение биомагнитного сигнала. Ожидается, что в медицинской сфере сети квантового зондирования принесут инновации в диагностические технологии благодаря своей сверхвысокой чувствительности и разрешению. Например, сенсорные сети на основе атомных магнитометров или технологии сверхпроводящей квантовой интерференции могут неинвазивно создавать чрезвычайно точные магнитоэнцефалограммы или магнитокардиограммы человека, улавливать чрезвычайно слабые магнитные поля, генерируемые активностью нейронов или кардиомиоцитов, и предоставлять ключевую информацию для определения местоположения очага эпилепсии и ранней оценки инфаркта мозга.
Зайдя еще дальше, такие сети можно использовать для сверхраннего и сверхследового обнаружения биомаркеров. Теоретический анализ показывает, что сеть достаточно чувствительна, чтобы обнаружить присутствие и активность отдельных биомолекул. В сочетании с технологией визуализации распределенные квантовые сенсорные сети могут преодолеть предел разрешения традиционных оптических микроскопов и обеспечить получение изображений субклеточных структур и даже динамических процессов биологических макромолекул с высоким разрешением, тем самым открывая новые возможности для исследования молекулярных механизмов некоторых сложных заболеваний, таких как рак, и для очень ранней диагностики.
Как сети квантового зондирования могут улучшить производство в полупроводниковой промышленности
В высокотехнологичном производстве, особенно в полупроводниковой промышленности, сети квантового зондирования станут основным инструментом, обеспечивающим выпуск чипов следующего поколения. Поскольку процессы производства чипов переходят на нанометровые и даже ангстремные масштабы, к возможностям обнаружения дефектов в схемах предъявляются почти строгие требования. Традиционные методы обнаружения приближаются к физическим пределам.
Такие технологии, как «многомодовое состояние N00N», внедренные распределенными квантовыми сенсорными сетями, могут генерировать чрезвычайно плотные интерференционные полосы, тем самым достигая нанометрового или более высокого пространственного разрешения, что показывает, что они могут точно идентифицировать дефекты, примеси или деформации атомного масштаба в схемах микросхем, чего трудно достичь с помощью существующих технологий. Эта способность обнаружения, выходящая за рамки классического предела, изменит парадигму контроля качества прецизионного производства, сделав обнаружение наномасштабных дефектов нормальным состоянием производственного процесса, тем самым значительно повысив эффективность производства и надежность продуктов передовых технологических микросхем.
Предоставляйте глобальные услуги по закупкам слабых текущих интеллектуальных продуктов!
Каковы основные проблемы при создании крупномасштабных сетей квантового зондирования?
Хотя его перспективы многообещающие, создание практических крупномасштабных сетей квантового зондирования по-прежнему сталкивается с рядом чрезвычайно серьезных проблем. Первой и наиболее заметной проблемой является влияние шума окружающей среды. Квантовые состояния чрезвычайно хрупки, и внешний шум легко может вызвать декогеренцию, что, в свою очередь, приводит к потере квантовых преимуществ. Хотя существуют соответствующие теории и экспериментальные результаты, в которых используются такие технологии, как подпространства без декогеренции, для противостояния специфическому шуму, все еще необходимы более инновационные меры, чтобы противостоять сложной и постоянно меняющейся шумовой среде в реальном мире.
Масштабируемость и согласованность действительно являются проблемами в системе. После расширения масштаба сети большое количество параметров производительности датчиков, таких как сила оптической связи и скорость затухания, необходимо поддерживать в высокой степени согласованности. В текущих экспериментах несоответствие контролировалось с точностью до 2,4%. Однако это по-прежнему остается огромной проблемой при крупномасштабном инженерном развертывании. Кроме того, вопрос о том, как превратить настольную экспериментальную систему в компактное, стабильное, маломощное интегрированное устройство и интегрировать ее с существующей классической сетью связи и инфраструктурой, также является препятствием, которое необходимо преодолеть для достижения индустриализации.
Каково будущее направление развития квантовых сенсорных сетей?
Сети квантового зондирования будут развиваться в трех направлениях: повышение производительности, расширение приложений и углубление интеграции. Одно из направлений заключается в том, что масштаб и производительность сети будут продолжать совершать прорывы. Исследователи планируют увеличить количество сетевых узлов, чтобы получить более заметные квантовые преимущества, а также изучить квантовые корреляции между датчиками на расстояниях более 100 километров, тем самым заложив прочную основу для широкомасштабного геофизического мониторинга или исследования космоса.
Во-вторых, глубокая интеграция с передовыми сложными технологиями, такими как искусственный интеллект. Благодаря беспрецедентным возможностям обработки данных и распознаванию образов искусственного интеллекта его можно использовать для оптимизации механизмов протокола квантового зондирования. Корректируйте условия дрейфа шума в режиме реального времени и извлекайте слабые сигналы из сложных наборов данных, тем самым всесторонне повышая надежность, интеллектуальность и практическую производительность сетей квантового зондирования. В-третьих, способствовать непрерывному развитию технологического направления в сторону морфологии и интеграции чипов. Сочетание таких технологий, как кремниевая фотоника, является ключевым каналом для вывода сетей квантового зондирования за пределы лабораторной среды, снижения затрат и перехода к широкому спектру сценариев повседневного применения.
По вашему мнению, в течение пяти-десяти лет, начиная с настоящего момента, в какой отрасли (медицина, полупроводниковая промышленность, разведка полезных ископаемых или фундаментальные научные исследования) сеть квантового зондирования, скорее всего, первой достигнет крупномасштабной практики коммерческого применения и окажет разрушительное воздействие? Добро пожаловать, чтобы поделиться своим личным пониманием и идеями в области комментариев.
Добавить комментарий