想象一下，未來我們將生活在一個(gè)所有智能設(shè)備及機(jī)器人都可以由人類思想控制的世界里。據(jù)Bosch Quantum Sensing預(yù)計(jì)，20年后，量子傳感器將能夠測(cè)量大腦信號(hào)并將其轉(zhuǎn)化為機(jī)械動(dòng)作。

據(jù)麥姆斯咨詢介紹，Bosch Quantum Sensing是一家隸屬于博世（Bosch）的初創(chuàng)公司，正在開發(fā)靈敏度比當(dāng)前MEMS傳感器高1000倍的磁場(chǎng)量子傳感器。該公司的目標(biāo)是為下一代腦機(jī)接口（BCI）制造量子傳感器，據(jù)Bosch Quantum Sensing估計(jì)，從長(zhǎng)遠(yuǎn)來看，下一代腦機(jī)接口的市場(chǎng)規(guī)模每年將超過50億美元。EE Times Europe近期采訪了Bosch Quantum Sensing首席執(zhí)行官Katrin Kobe博士，雙方探討了基于金剛石的量子傳感器在導(dǎo)航、電動(dòng)交通以及醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用前景。

處理單個(gè)量子態(tài)

量子傳感器可以分為兩代。第一代考慮的是量子態(tài)的統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)，而第二代考慮的是經(jīng)專門處理的單個(gè)量子態(tài)。從第一代量子傳感器過渡到第二代量子傳感器，并實(shí)現(xiàn)對(duì)單個(gè)量子態(tài)的操縱，用了20年的時(shí)間。Kobe以電子自旋為例說：“把電子放在一個(gè)定義明確的自旋中。一旦與環(huán)境發(fā)生關(guān)聯(lián)，自旋就會(huì)翻轉(zhuǎn)。我們可以測(cè)量自旋翻轉(zhuǎn)，這意味著可以測(cè)量環(huán)境中極小的信號(hào)或變化。”

量子傳感器能以極高的靈敏度測(cè)量各種物理特性，包括溫度、磁場(chǎng)和旋轉(zhuǎn)。Bosch一直在開發(fā)兩種類型的量子傳感器，一種是量子磁強(qiáng)計(jì)，用于高精度測(cè)量極小的磁場(chǎng)，還有一種是量子陀螺儀，用于跟蹤微小的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。目前，Bosch Quantum Sensing正專注于研究基于金剛石氮空位（NV）中心的量子磁強(qiáng)計(jì)。

超靈敏、微型化

目前有多種方案可以制造量子磁強(qiáng)計(jì)。例如，超導(dǎo)量子干涉器件（SQUID）是一種高靈敏度的磁強(qiáng)計(jì)，可測(cè)量極其細(xì)微的磁場(chǎng)變化。“但它需要恒定低溫，并且體積龐大。”Kobe說。

其它選擇還有利用激光捕獲及操縱單個(gè)原子的光學(xué)阱，以及利用極化自旋系統(tǒng)的進(jìn)動(dòng)來測(cè)量磁場(chǎng)的氣室磁強(qiáng)計(jì)。“但光學(xué)阱通常使用笨重的光學(xué)元件制造。而使用氣室時(shí)，需要特定的溫度，因此必須對(duì)其加熱，而且會(huì)受到尺寸的限制。”Kobe指出。

為了獲得不受SQUID、光學(xué)阱或氣室磁強(qiáng)計(jì)限制的高靈敏度量子磁強(qiáng)計(jì)，需要探索一種替代方案（例如金剛石中的原子缺陷）。

完美無瑕的金剛石僅由碳元素組成。一個(gè)氮原子及相鄰碳原子的缺失造成了缺陷。而正是這些“氮空位中心”，對(duì)磁場(chǎng)的細(xì)微變化高度敏感。

“Bosch Quantum Sensing研究人員既在研究氣室，也在研究金剛石中的氮空位中心。”Kobe說，“然而，作為一家初創(chuàng)公司，我們專注于研究氮空位中心金剛石。因?yàn)樗鼈兙哂歇?dú)特的賣點(diǎn)，它們的靈敏度極高，體積更小，堅(jiān)固耐用，并且可在室溫下使用。此外，還具有很高的空間分辨率和極寬的測(cè)量范圍。”

由于需要許多組件，因此構(gòu)建一個(gè)具有氮空位中心的量子傳感器并非易事，如下圖所示。但這項(xiàng)技術(shù)有望通過提高靈敏度和微型化來解鎖新應(yīng)用。

圖1 利用金剛石中氮空位中心制造量子磁強(qiáng)計(jì)需要很多組件

非侵入性腦機(jī)接口

傳感器越小，帶來的好處越多。2022年初，Bosch Quantum Sensing展示了一款實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的量子磁強(qiáng)計(jì)裝置。“9個(gè)月后，我們將磁強(qiáng)計(jì)縮小到鞋盒大小。去年年初，我們又將其縮小到牛奶盒大小。如今，它已縮小到手機(jī)大小。”Kobe介紹說。

Kobe稱：“我們的目標(biāo)是縮小到火柴盒大小，但目前還沒有確定的時(shí)間表。我們現(xiàn)在已經(jīng)開始與客戶進(jìn)行試點(diǎn)，可能會(huì)有比尺寸更重要的其它要求。可以肯定的是，火柴盒大小是下一步的目標(biāo)，從長(zhǎng)遠(yuǎn)來看，我們希望將其微型化到可以集成到芯片上。”

Bosch Quantum Sensing聲稱其量子傳感器原型現(xiàn)在只有手機(jī)大小

磁強(qiáng)計(jì)的商業(yè)化將經(jīng)歷一個(gè)循序漸進(jìn)的過程。Bosch Quantum Sensing將在未來幾年內(nèi)確立醫(yī)療和移動(dòng)領(lǐng)域的試點(diǎn)客戶并與之合作。隨后再進(jìn)行批量生產(chǎn)。磁強(qiáng)計(jì)的市場(chǎng)化還將取決于應(yīng)用。

Kobe說：“我們的長(zhǎng)期目標(biāo)是腦機(jī)接口，讓人們只用意念就能控制事物。但我們預(yù)計(jì)這些應(yīng)用在2035年之前應(yīng)該還不會(huì)落地。還有其它一些應(yīng)用，我們認(rèn)為可以在這十年內(nèi)實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。”

這些應(yīng)用包括：

- 利用地球不變的磁場(chǎng)在空中、道路、水上及水下導(dǎo)航；

- 在電動(dòng)交通工具中，精確測(cè)量電流磁場(chǎng)以及電池準(zhǔn)確的充電水平；

- 磁心電圖儀等醫(yī)療應(yīng)用，可以長(zhǎng)時(shí)間測(cè)量心臟的自然磁場(chǎng)，提供比現(xiàn)在的心電圖儀更多的數(shù)據(jù)。當(dāng)前的心電圖通過電極直接作用于皮膚，如果電極滑落，測(cè)量結(jié)果就會(huì)不準(zhǔn)確。相比之下，量子傳感器可以整合到衣服或床墊中，從而在家中進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)。

構(gòu)建生態(tài)系統(tǒng)

Kobe非常關(guān)心量子傳感器行業(yè)的現(xiàn)狀。她說：“在各種會(huì)議上，人們都在談?wù)摿孔佑?jì)算和密碼學(xué)，只有一小部分在討論量子傳感。”

不過，Kobe并不認(rèn)為量子傳感的相對(duì)熱度反映了市場(chǎng)機(jī)會(huì)的缺乏。每個(gè)人都在談?wù)摿孔佑?jì)算，這在業(yè)界是一個(gè)非常重要的主題。但是，如果進(jìn)一步關(guān)注風(fēng)險(xiǎn)投資，就會(huì)發(fā)現(xiàn)量子傳感領(lǐng)域的投資正在增長(zhǎng)。這是一項(xiàng)更加成熟的技術(shù)，量子傳感公司比量子計(jì)算公司更接近市場(chǎng)。

政府和風(fēng)險(xiǎn)投資是量子技術(shù)能否迅速進(jìn)入市場(chǎng)的良好指標(biāo)。根據(jù)英國知名研究公司IDTechEx的數(shù)據(jù)，在量子計(jì)算、傳感和通信領(lǐng)域的政府支出幾乎是平分秋色的，而私人投資則更多地集中在量子計(jì)算領(lǐng)域。這可能會(huì)減緩量子傳感技術(shù)的商業(yè)化進(jìn)程，因?yàn)樵S多與器件制造和微型化相關(guān)的挑戰(zhàn)，取決于投資巨大的專用制造設(shè)施。

量子傳感生態(tài)系統(tǒng)仍處于起步階段，建立一個(gè)完整的生態(tài)系統(tǒng)至關(guān)重要。在Bosch Quantum Sensing的案例中，拼圖的起點(diǎn)是金剛石，然后是圍繞金剛石的光學(xué)元件、靜態(tài)磁場(chǎng)、可調(diào)微波發(fā)生器以及信號(hào)處理。Kobe表示：“我們需要了解客戶的需求，需要產(chǎn)品設(shè)計(jì)、應(yīng)用know-how以及生產(chǎn)工藝、能力和設(shè)施。”

她呼吁相關(guān)方立即采取行動(dòng)，因?yàn)楝F(xiàn)在還沒有穩(wěn)定的高品質(zhì)金剛石生產(chǎn)，還沒有可以直接采購的靜態(tài)磁場(chǎng)。通過各種會(huì)議，我們可以看到這個(gè)行業(yè)確實(shí)在向商業(yè)化邁進(jìn)，但還有很長(zhǎng)的路要走。

Kobe說，建立強(qiáng)大的生態(tài)系統(tǒng)對(duì)于歐洲在未來幾年保持競(jìng)爭(zhēng)力至關(guān)重要。歐洲和美國都投入了巨資，但我們不應(yīng)忽視中國，因?yàn)橹袊耐顿Y有些是非公開的。目前，我們與美國一起處于領(lǐng)先地位，但我們不能在量子生態(tài)系統(tǒng)建設(shè)方面掉以輕心。

盡管量子計(jì)算硬件的市場(chǎng)規(guī)模仍將占據(jù)主導(dǎo)地位，但I(xiàn)DTechEx認(rèn)為，量子傳感器的市場(chǎng)化將在未來10年內(nèi)帶來規(guī)模優(yōu)勢(shì)。IDTechEx預(yù)測(cè)，隨著量子傳感器在電動(dòng)汽車、GPS導(dǎo)航、醫(yī)學(xué)成像和量子計(jì)算等領(lǐng)域的應(yīng)用，預(yù)計(jì)到2044年，全球量子傳感器市場(chǎng)規(guī)模將增長(zhǎng)至71億美元。

背后的Bosch

“我們的目標(biāo)很明確。”Kobe說，“未來幾年，我們將與客戶一起進(jìn)行試點(diǎn)，并進(jìn)入市場(chǎng)。我們希望在量子傳感市場(chǎng)中扮演重要角色。我們可以依靠博世的堅(jiān)實(shí)背景，Bosch在微型化、大批量、高質(zhì)量生產(chǎn)方面經(jīng)驗(yàn)豐富。”

Bosch Quantum Sensing于2022年初從博世分離出來成為一家獨(dú)資公司。因此，該公司可以像初創(chuàng)公司一樣靈活運(yùn)作，同時(shí)擁有母公司的資源。“我們不是開發(fā)全新的傳感器、想法或概念。”Kobe說，“所有的基礎(chǔ)研究都是在Bosch的研究部門完成的，他們成功完成概念驗(yàn)證，然后交給我們，我們?cè)侔阉龀僧a(chǎn)品。我們的重點(diǎn)是確定一種能讓客戶受益的應(yīng)用。”

Bosch Quantum Sensing是繼Bosch Sensortec之后的又一家獨(dú)立子公司，后者成立于2005年，致力于開拓消費(fèi)級(jí)MEMS市場(chǎng)。現(xiàn)在，博世每天為移動(dòng)解決方案和消費(fèi)電子產(chǎn)品生產(chǎn)超過400萬顆MEMS傳感器。

在兩年的時(shí)間里，Bosch Quantum Sensing已經(jīng)建立了一支由30人組成的團(tuán)隊(duì)，其中包括物理學(xué)家、醫(yī)生、生物學(xué)家、工程師、業(yè)務(wù)開發(fā)經(jīng)理和具有商業(yè)背景的產(chǎn)品經(jīng)理。Kobe說：“吸引人才是業(yè)務(wù)發(fā)展的關(guān)鍵。人才是一個(gè)現(xiàn)實(shí)問題，我們一直在爭(zhēng)取最好的人才。受限于現(xiàn)有的人才資源，我們的發(fā)展并不容易。不過，與其它分支相比，量子傳感器非常有吸引力。”

本文源自EE Times Europe，麥姆斯咨詢編譯。