Bosch正在开发灵敏度比当前MEMS传感器高1000倍的磁场量子传感器

想象一下，未来我们将生活在一个所有智能设备及机器人都可以由人类思想控制的世界里。据Bosch Quantum Sensing预计，20年后，量子传感器将能够测量大脑信号并将其转化为机械动作。

据麦姆斯咨询介绍，Bosch Quantum Sensing是一家隶属于博世（Bosch）的初创公司，正在开发灵敏度比当前MEMS传感器高1000倍的磁场量子传感器。该公司的目标是为下一代脑机接口（BCI）制造量子传感器，据Bosch Quantum Sensing估计，从长远来看，下一代脑机接口的市场规模每年将超过50亿美元。EE Times Europe近期采访了Bosch Quantum Sensing首席执行官Katrin Kobe博士，双方探讨了基于金刚石的量子传感器在导航、电动交通以及医疗领域的应用前景。

处理单个量子态

量子传感器可以分为两代。第一代考虑的是量子态的统计系统，而第二代考虑的是经专门处理的单个量子态。从第一代量子传感器过渡到第二代量子传感器，并实现对单个量子态的操纵，用了20年的时间。Kobe以电子自旋为例说：“把电子放在一个定义明确的自旋中。一旦与环境发生关联，自旋就会翻转。我们可以测量自旋翻转，这意味着可以测量环境中极小的信号或变化。”

量子传感器能以极高的灵敏度测量各种物理特性，包括温度、磁场和旋转。Bosch一直在开发两种类型的量子传感器，一种是量子磁强计，用于高精度测量极小的磁场，还有一种是量子陀螺仪，用于跟踪微小的旋转运动。目前，Bosch Quantum Sensing正专注于研究基于金刚石氮空位（NV）中心的量子磁强计。

超灵敏、微型化

目前有多种方案可以制造量子磁强计。例如，超导量子干涉器件（SQUID）是一种高灵敏度的磁强计，可测量极其细微的磁场变化。“但它需要恒定低温，并且体积庞大。”Kobe说。

其它选择还有利用激光捕获及操纵单个原子的光学阱，以及利用极化自旋系统的进动来测量磁场的气室磁强计。“但光学阱通常使用笨重的光学元件制造。而使用气室时，需要特定的温度，因此必须对其加热，而且会受到尺寸的限制。”Kobe指出。

为了获得不受SQUID、光学阱或气室磁强计限制的高灵敏度量子磁强计，需要探索一种替代方案（例如金刚石中的原子缺陷）。

完美无瑕的金刚石仅由碳元素组成。一个氮原子及相邻碳原子的缺失造成了缺陷。而正是这些“氮空位中心”，对磁场的细微变化高度敏感。

“Bosch Quantum Sensing研究人员既在研究气室，也在研究金刚石中的氮空位中心。”Kobe说，“然而，作为一家初创公司，我们专注于研究氮空位中心金刚石。因为它们具有独特的卖点，它们的灵敏度极高，体积更小，坚固耐用，并且可在室温下使用。此外，还具有很高的空间分辨率和极宽的测量范围。”

由于需要许多组件，因此构建一个具有氮空位中心的量子传感器并非易事，如下图所示。但这项技术有望通过提高灵敏度和微型化来解锁新应用。

图1 利用金刚石中氮空位中心制造量子磁强计需要很多组件

非侵入性脑机接口

传感器越小，带来的好处越多。2022年初，Bosch Quantum Sensing展示了一款实验室规模的量子磁强计装置。“9个月后，我们将磁强计缩小到鞋盒大小。去年年初，我们又将其缩小到牛奶盒大小。如今，它已缩小到手机大小。”Kobe介绍说。

Kobe称：“我们的目标是缩小到火柴盒大小，但目前还没有确定的时间表。我们现在已经开始与客户进行试点，可能会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标，从长远来看，我们希望将其微型化到可以集成到芯片上。”

Bosch Quantum Sensing声称其量子传感器原型现在只有手机大小

磁强计的商业化将经历一个循序渐进的过程。Bosch Quantum Sensing将在未来几年内确立医疗和移动领域的试点客户并与之合作。随后再进行批量生产。磁强计的市场化还将取决于应用。

Kobe说：“我们的长期目标是脑机接口，让人们只用意念就能控制事物。但我们预计这些应用在2035年之前应该还不会落地。还有其它一些应用，我们认为可以在这十年内实现商业化。”

这些应用包括：

- 利用地球不变的磁场在空中、道路、水上及水下导航；

- 在电动交通工具中，精确测量电流磁场以及电池准确的充电水平；

- 磁心电图仪等医疗应用，可以长时间测量心脏的自然磁场，提供比现在的心电图仪更多的数据。当前的心电图通过电极直接作用于皮肤，如果电极滑落，测量结果就会不准确。相比之下，量子传感器可以整合到衣服或床垫中，从而在家中进行长期监测。

构建生态系统

Kobe非常关心量子传感器行业的现状。她说：“在各种会议上，人们都在谈论量子计算和密码学，只有一小部分在讨论量子传感。”

不过，Kobe并不认为量子传感的相对热度反映了市场机会的缺乏。每个人都在谈论量子计算，这在业界是一个非常重要的主题。但是，如果进一步关注风险投资，就会发现量子传感领域的投资正在增长。这是一项更加成熟的技术，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能否迅速进入市场的良好指标。根据英国知名研究公司IDTechEx的数据，在量子计算、传感和通信领域的政府支出几乎是平分秋色的，而私人投资则更多地集中在量子计算领域。这可能会减缓量子传感技术的商业化进程，因为许多与器件制造和微型化相关的挑战，取决于投资巨大的专用制造设施。

量子传感生态系统仍处于起步阶段，建立一个完整的生态系统至关重要。在Bosch Quantum Sensing的案例中，拼图的起点是金刚石，然后是围绕金刚石的光学元件、静态磁场、可调微波发生器以及信号处理。Kobe表示：“我们需要了解客户的需求，需要产品设计、应用know-how以及生产工艺、能力和设施。”

她呼吁相关方立即采取行动，因为现在还没有稳定的高品质金刚石生产，还没有可以直接采购的静态磁场。通过各种会议，我们可以看到这个行业确实在向商业化迈进，但还有很长的路要走。

Kobe说，建立强大的生态系统对于欧洲在未来几年保持竞争力至关重要。欧洲和美国都投入了巨资，但我们不应忽视中国，因为中国的投资有些是非公开的。目前，我们与美国一起处于领先地位，但我们不能在量子生态系统建设方面掉以轻心。

尽管量子计算硬件的市场规模仍将占据主导地位，但IDTechEx认为，量子传感器的市场化将在未来10年内带来规模优势。IDTechEx预测，随着量子传感器在电动汽车、GPS导航、医学成像和量子计算等领域的应用，预计到2044年，全球量子传感器市场规模将增长至71亿美元。

背后的Bosch

“我们的目标很明确。”Kobe说，“未来几年，我们将与客户一起进行试点，并进入市场。我们希望在量子传感市场中扮演重要角色。我们可以依靠博世的坚实背景，Bosch在微型化、大批量、高质量生产方面经验丰富。”

Bosch Quantum Sensing于2022年初从博世分离出来成为一家独资公司。因此，该公司可以像初创公司一样灵活运作，同时拥有母公司的资源。“我们不是开发全新的传感器、想法或概念。”Kobe说，“所有的基础研究都是在Bosch的研究部门完成的，他们成功完成概念验证，然后交给我们，我们再把它做成产品。我们的重点是确定一种能让客户受益的应用。”

Bosch Quantum Sensing是继Bosch Sensortec之后的又一家独立子公司，后者成立于2005年，致力于开拓消费级MEMS市场。现在，博世每天为移动解决方案和消费电子产品生产超过400万颗MEMS传感器。

在两年的时间里，Bosch Quantum Sensing已经建立了一支由30人组成的团队，其中包括物理学家、医生、生物学家、工程师、业务开发经理和具有商业背景的产品经理。Kobe说：“吸引人才是业务发展的关键。人才是一个现实问题，我们一直在争取最好的人才。受限于现有的人才资源，我们的发展并不容易。不过，与其它分支相比，量子传感器非常有吸引力。”

本文源自EE Times Europe，麦姆斯咨询编译。

审核编辑：刘清