量子传感器，打开医学研究新大门
如果人类可以使用 X 射线视觉来观察阿尔茨海默病最早的细胞过程，他们就会看到大脑中某处的一条蛋白质链将自己绑成一个畸形的结。
这种被称为蛋白质错误折叠的微观花边在人类生物学中是正常的。然而，当身体筛选这些错误折叠蛋白质的机制失败时，结果可能导致神经退行性疾病，如阿尔茨海默病、帕金森病和亨廷顿病。
究竟为什么蛋白质会错误折叠以及为什么身体有时无法消除它们是未知的，这也是芝加哥大学普利兹克分子工程学院(PME) 的研究人员正在开发一些世界上最先进的生物传感器的原因之一。
编译来源：Eurekalert 编辑｜感知芯视界
据Eurekalert5月13日消息，分子工程助理教授Peter Maurer创造了下一代量子传感器，将打开生物和医学研究的新大门。
在介绍Peter Maurer的新研究之前，我们有必要了解一下什么是量子传感器：
01 量子传感器的定义
一项技术怎样才能认为是量子技术？业内研究员普遍认为，遵循量子力学规律，利用量子的叠加性与纠缠性等量子效应的技术，都可严格地认为是量子技术。
近年来，人们发现利用量子力学的基本属性，例如量子相干，量子纠缠，量子统计等特性，可以实现更高精度的测量。因此，基于量子力学特性实现对物理量进行高精度的测量称为量子传感。
在量子传感中，电磁场、温度、压力等外界环境直接与电子、光子、声子等体系发生相互作用并改变它们的量子状态，最终通过对这些变化后的量子态进行检测实现外界环境的高灵敏度测量。而利用当前成熟的量子态操控技术，可以进一步提高测量的灵敏度。因此，这些电子、光子、声子等量子体系就是一把高灵敏度的量子“尺子”——量子传感器。
所谓量子传感器，可以从两方面加以定义：
(1)利用量子效应、根据相应量子算法设计的、用于执行变换功能的物理装置;
(2)为了满足对被测量进行变换，某些部分细微到必须考虑其量子效应的变换元件。
不管从哪个方面定义，量子传感器都必须遵循量子力学规律。可以说，量子传感器就是根据量子力学规律、利用量子效应设计的、用于执行对系统被测量进行变换的物理装置。
比如量子雷达技术，就运用了量子纠缠原理。根据物理学家SethLloyd的理论方案，这个过程包括将一系列纠缠光子对中的一半从一个物体上弹回来，然后将返回的光子与被阻挡的光子进行比较。这样做的目的是将最初发出的辐射与强噪声源区分开来，发现隐形飞机等普通雷达无法探测到的物体，并将雷达操作员隐藏起来。
与蓬勃发展的生物传感器一样，量子传感器应由产生信号的敏感元件和处理信号的辅助仪器两部分组成，其中敏感元件是传感器的核心，它利用的是量子效应。
我们再来说回Maurer的新研究。Maurer的纳米传感器由钻石制成并由量子物理学提供动力，将能够测量活细胞内的磁场和电场、时间、温度和压力。虽然他的研究仍处于早期阶段，但它在医学及其他领域具有深远的潜力。
图片：普利兹克分子工程教授 Peter Maurer 及其同事正在使用纳米级传感器直接从细胞中传递关键信息。
量子传感器可以对当前技术无法访问的生物过程进行测量，或者在疾病临床表现之前对其进行检测。这项技术具有扩展生物物理学和分子生物学研究的潜力，”Maurer说。“这将帮助我们了解用传统方法看不到的过程。然后，当它在临床环境中得到应用时，你会看到新的、非常有效的疾病筛查过程——对我们目前无法检测的疾病进行检测。”
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