想象一下生活在一个智能设备和机器人由你的思想控制的世界中。二十年后，博世量子传感预计量子传感器将能够测量大脑信号并将其转化为机械动作。
Bosch Quantum Sensing 是一家博世初创公司，隶属于企业研究部门，该公司声称正在开发磁场量子传感器，其灵敏度比当今的 MEMS 传感器高 1,000 倍。该公司的目标是为下一代脑机接口 (BCI) 制造量子传感器，预计从长远来看，该传感器每年的价值将超过 50 亿美元。EE Times Europe 采访了博世量子传感公司首席执行官 Katrin Kobe，讨论了基于金刚石的量子传感在导航、电动汽车和医学领域的应用前景。
捕获单个量子
量子传感器有两代。第一代考虑的是量子态的集合，而第二代则着眼于单独的、专门准备的量子。从一代过渡到另一代并允许操纵单量子态花了 20 年时间。科比以电子自旋为例说：“你让电子处于明确的自旋状态。一旦与环境建立互连，旋转就会翻转。你可以测量自旋翻转，[这意味着]你可以测量环境中最小的信号或变化。”
量子传感器可以以极高的灵敏度测量各种物理特性，包括温度、磁场和旋转。博世研究中心一直在开发两种类型：以非常高的精度测量非常小的磁场的量子磁力计和跟踪微小旋转运动的量子陀螺仪。科比表示，目前，博世量子传感公司正专注于基于钻石氮空位(NV)中心的量子磁力计。
超灵敏、小型化
创建量子磁力计有多种方法。例如，超导量子接口器件(SQUID)是一种高度灵敏的磁力计，用于测量极其微妙的磁场，但“它需要恒定的低温，而且体积庞大，”科比说。
其他选择包括光学陷阱，它使用激光来捕获和操纵单个原子，以及蒸汽细胞磁力计，它使用一组偏振自旋的进动来测量磁场。但光陷阱通常是用笨重的光学元件生产的，“对于蒸汽室，你需要特定的温度，所以你必须加热它，而且你受到尺寸的限制，”科比指出。
获得不受 SQUID、光学或蒸汽电池磁力计限制的高灵敏度量子磁力计是寻找替代磁力计(例如金刚石中的原子缺陷)背后的动机之一。
完美无瑕的钻石仅由碳组成。然而，缺陷是由氮原子和相邻缺失的碳原子造成的。正是这些“氮空位中心”对磁场的最轻微变化高度敏感。
“博世公司的研究工作涉及钻石的蒸气室和 NV 中心，”Kobe 说道。“然而，作为一家初创公司，我们专注于 NV 钻石，因为它们具有独特的卖点。它们极其敏感且小得多。它们坚固耐用，可在室温下使用。它们具有高空间分辨率和极宽的测量范围。”
构建具有 NV 中心的量子传感器并非易事，因为需要许多组件(图 1)，但该技术有望通过提高灵敏度和小型化来解锁新应用。
图 1：构建基于金刚石氮空位中心的量子磁力计需要许多组件
无创脑机接口
传感器越小，好处就越大。科比表示，2022 年初，博世企业研究展示了实验室设置。“九个月后，我们能够将磁力计缩小到鞋盒大小。去年年初，我们又把它缩小到了牛奶盒的大小。如今，它已经缩小到手机大小。”
科比表示，目标是达到火柴盒大小，但尚未确定时间表。“我们现在开始与客户进行试点，可能还有其他看起来比尺寸更重要的要求。当然，火柴盒是下一步，从长远来看，我们希望将其小型化到可以集成到芯片上的程度。”
磁力计的商业化将经历一个循序渐进的过程。未来几年，博世量子传感将继续寻找医疗和移动领域的试点客户并与他们合作。系列生产将随之而来。将磁力计推向市场还取决于应用。
科比说：“我们的长期目标是脑机接口(BCI)，人们只能用自己的思想来控制事物，但我们预计这些应用不会在 2035 年之前实现。” “我们认为还有其他应用可以在这十年内商业化。”
这些应用包括：
利用地球不变的磁场在空中、道路上、水上和水下导航
电动汽车可精确测量电流磁场并确定电池的准确充电水平
心磁图仪等医疗应用程序可以长时间测量心脏的自然磁场，并提供比当今的心电图仪 (ECG) 更多的数据。心电图通过电极直接应用于皮肤;如果这些电极滑动，所得测量结果就会不准确。相比之下，量子传感器可以集成到衣服或床垫中，并可以在家中进行监控。
构建生态系统
在采访中，科比一度交换了角色，询问量子传感器行业目前的情绪如何。“在会议上，有很多关于量子计算和密码学的讨论，只有一小部分是关于量子传感的，”她指出。
然而，科比并不认为对量子传感相对缺乏兴趣反映了市场机会的缺乏，至少在中短期内是这样。“每个人都在谈论量子计算;这是业界非常重视的一个主题。但如果你关注风险投资，你会发现量子传感正在增长。这是一项更成熟的技术，量子传感公司比量子计算公司更接近市场。”
政府和风险投资是量子技术进入市场的一个很好的指标。IDTechEx 表示，政府支出几乎平均分配在计算、传感和通信领域，而私人投资流则更加集中在量子计算上。这可能会减慢量子传感技术的商业化速度，因为与组件制造和小型化相关的许多挑战取决于对专用制造设施的大量投资。
量子传感生态系统仍处于起步阶段，构建完整的生态系统至关重要。在博世量子传感的案例中，难题的起点是钻石，围绕钻石旋转光学器件、静磁场、可调谐微波发生器和信号处理。然后，科比说，“我们需要了解客户的需求;我们需要产品设计、应用专业知识以及生产流程、能力和设施。”
她呼吁立即采取行动，因为“仍然没有稳定生产出高质量的钻石，仍然没有可以从货架上购买的静磁场。在会议上，你会看到该行业确实正在走向商业化，但还有很长的路要走。”
科比表示，创建强大的生态系统对于未来几年维持欧洲竞争力至关重要。“欧洲和美国都有大量投资，但我们不应该忘记中国，那里的投资大多是秘密的。我们与美国处于领先地位，但我们不应该仅仅因为我们在建立量子生态系统方面投入不够而失去这一地位。”
尽管量子计算硬件的价值仍将保持较高水平，但 IDTechEx 认为，量子传感器的大容量市场将使该类别在未来 10 年的市场规模方面处于优势。即使不包括电动汽车中用于远程电流传感的磁阻隧道传感器，IDTechEx 预测，到 2024 年，量子传感市场的收入将是量子计算硬件收入的 6 倍以上。然而，该市场研究公司预测，到 2034 年，量子计算和量子传感的市场份额将开始平衡。
博世在后台
“我们的目标很明确，”科比说道。“未来几年，我们将与客户一起进行试点并推向市场。我们希望参与量子传感市场并发挥重要作用。我们可以信赖博世的雄厚背景，他们在小型化和高产量、高质量生产方面拥有丰富的经验。”
博世量子传感于 2022 年初从博世剥离，成为一家全资公司。因此，它可以利用初创公司的敏捷性及其母公司的资源来运营。“我们不会开发新的传感器、想法或概念，”科比说。“所有的基础研究都是在企业研究部门完成的，如果他们进行了概念验证，他们就会把它交给我们，然后我们用它来制造产品。我们的重点是确定对客户有利的应用程序。”
Bosch Quantum Sensing 追随 Bosch Sensortec 的脚步，Bosch Sensortec 成立于 2005 年，旨在瞄准消费类 MEMS 市场。博世目前每天生产超过 400 万个 MEMS 传感器，用于移动解决方案和消费电子产品。“我们希望成为 Bosch Sensortec 甚至更大，”Kobe 说道。
博世量子传感公司声称其量子传感器原型现在大约有手机大小
两年时间里，博世量子传感已经组建了一支30人的团队，其中包括具有商业背景的物理学家、医生、生物学家、工程师、业务开发经理和产品经理。“吸引人才是我们业务发展的关键，”科比说。“人才是一个真正的问题，我们正在争取最优秀的人才。由于可用的人才资源，成长并不容易。然而，与其他分支相比，量子传感非常有吸引力。”
根据麦肯锡的《2023 年量子技术监测》，人才短缺仍然很严重，但近年来有所缩小。2022 年，该行业近三分之二的空缺职位由量子技术领域的新硕士毕业生填补，而 2021 年只有三分之一的职位被填补。尽管量子技术的职位空缺数量不断增加，但这一发展还是发生了。 2021 年至 2022 年增加了 19%。该咨询公司预计差距将进一步缩小，部分原因是越来越多的学术机构将量子技术纳入其课程，部分原因是大学在 2021 年培养了 55% 的量子技术硕士毕业生–2022 年期间。
