量子传感技术如何改善人类健康？
当前，量子技术在计算、通信以及密码学等领域的运用备受关注，其应用范围远不止于此。在量子物理学领域，它同样将对药理学、医学以及医疗保健等行业的发展带来深远的影响。以药物研究为例，量子计算机能够以更精确的方式描绘原子结构，提升计算效率，进而有助于发现药物可能引发的反应。
在讨论医疗行业时，量子技术究竟将如何展现其独特的才能和优势呢？目前有哪些潜在的技术和项目正等待着被发掘和应用？
量子传感技术
2024年10月，英国创新局正式发布了名为《生命的量子技术》的研究报告，其中详尽地分析了量子传感、量子计算、通信以及安全技术对英国生命科学及医疗护理行业发展的促进作用及其潜在应用价值，旨在提升对该领域的理解，并开辟新的合作契机。
报告中着重强调了量子传感器对推动医疗保健发展的关键作用。实际上，自2013年起，英国的科学工作者与政府官员便汇聚一堂，合力编制了《英国国家量子技术计划》（UK National Quantum Technologies Programme）。该产学研结合的项目投资高达10亿英镑，并计划执行至2033年。其中，量子传感与成像技术被定位为关键的研究方向之一开元棋官方正版下载，同时，医疗保健也被确立为重要的应用领域之一。
实际上，众多大型医院已经引入了量子传感器至磁共振成像设备（MRI）。这种设备自上世纪70年代问世以来，便运用磁场与无线电波来操控氢原子的量子自旋状态。通过测定自旋状态的弛豫时间，实现对大脑等软组织的成像。目前，MRI已成为现代医学中不可或缺的关键诊断与检测手段。
尽管MRI技术测量的是原子的量子属性，但其所采用的传感器却多为经典型。这些传感器主要由电磁线圈构成，用于检测原子自旋方向变化时引发的磁通量变化。然而，目前最新型的纳米级量子传感器已经具备极高的灵敏度，能够探测生物体内的磁场。与此同时，这些传感器的核心部分仅由单个原子构成，能够精确监测环境中的微小变化。
《生命的量子技术》报告显示，众多量子技术研发企业及研究机构在医疗保健领域表现活跃，许多企业通过利用金刚石等材料中的光子、电子或自旋缺陷，成功研发出具有广阔应用前景的量子传感器。具体而言，针对医疗保健领域的量子传感技术主要可以划分为以下五大类别：
实验室量子诊断
实验室诊断领域涉及第一类，经过专业训练的员工运用量子传感器对人的内部状况进行观察，涵盖从身体内部问题到细胞构成等多个层面，以识别和诊断包括癌症在内的多种疾病。
目前，实验室显微镜是确诊癌症的关键工具，它通过对细胞样本进行活体检测来揭示病情。常规的活检过程多采用可见光，然而这种方法却有可能对样本造成损害，进而使得诊断工作变得更加复杂。在此背景下，红外光技术成为一种替代方案，它通过检测细胞对特定波长的吸收情况，能够识别样本中的化合物，进而追踪与癌症相关的分子变化。
然而，这些方法面临诸多挑战：首先，在辨别诊断所必需的分子信号和背景干扰方面存在困难；其次，红外成像仪的价格相较于采用可见光检测的成像设备要高昂得多。
在此阶段，量子物理学为实验室诊断所用的量子传感器研发带来了新的视角——纠缠光子对。具体而言，科研人员通过激光照射非线性晶体，生成了纠缠光子，每个激光光子能够分解为两个能量较低的光子：一个是可见光光子，另一个是红外光光子。这一过程被称为自发参量下转换。伦敦帝国理工学院的科研团队所研发的癌症分级与预后可视解决方案名为Digistain，该方案基于前述理念（见下图所示）。它能让红外光子穿透样本，同时可见光子则被探测器捕获。借助光子纠缠的原理，可见光子能够传递关于红外光子和癌细胞存在的信息。
图示展示了量子传感器的工作原理，该传感器依赖于纠缠光子对来探测癌细胞的迹象，进而实现对疾病的诊断。信息来源：Digistain。
图示展示了采用染色技术进行的传统活检方法（位于左侧）以及Digistain公司设计的基于纠缠光子对的检测技术（位于右侧）所观察到的细胞形态。该图片的来源信息为Digistain。
2023年9月，团队将这一成果公布于《物理学评论A》杂志，研究团队指出，一旦红外光子被乳腺癌细胞所吸收，便会立即对与之纠缠的可见光子产生影响，因此，通过观察可见光的变化，我们可以获取有关癌细胞存在的详细信息。此外，所研发的探测器在成本上比红外探测器更为低廉，速度上更为迅速，灵敏度上也提升了数倍。
尽管这项技术能在癌症尚未形成肿瘤之前快速检测出癌症的存在，但现阶段仍需依赖肿瘤科医生来明确其具体的应用方式。
即时诊断
即时诊断（POC）在医疗领域占据着核心地位，新冠疫情的爆发使我们深刻体会到了即时诊断的重要性。在疫情期间，广泛使用的侧向层析测试（LFT）因其简便、快捷、低成本的特点，成为了全球抗击疫情的重要工具之一。原本仅限于实验室的检测设备，现已普及至寻常百姓家，使得多数人能够在家中迅速完成检测。
量子技术在POC领域的贡献主要体现在能够显著减小检测设备的体积，同时确保结果的准确性，这使得检测设备更加便于在医院、诊所乃至家庭环境中进行应用。
目前，疾病生物指标多采用荧光标记物对分子进行标记，并对其发光的地点、时刻以及亮度进行测量。然而，由于部分生物分子本身具备荧光特性，这就要求我们在分析测量数据时，必须对背景噪声进行相应的处理，以确保结果的准确性。
这种新兴的基于量子技术的替代方法，通过检测生物样本中的细微磁场来对其特性进行描述。在此过程中，特别设计的含有氮空位（NV）的金刚石缺陷材料成为了磁场检测的理想选择。其制备过程相对简便：首先，从晶格中去除两个碳原子，从而形成两个空位；接着，在其中一个空位中引入一个氮原子；最后，保留另一个空位。此类缺陷空位如同离散能级的原子，每个缺陷的自旋态均受局部磁场作用。以绿色激光脉冲照射金刚石，NV中心便从基态跃迁至激发态；激光一旦关闭，缺陷中心便回复至基态，并释放出可检测的可见光子。激光关闭后，荧光强度减弱的速度与局部磁场强度相关。
利用金刚石内部的NV色心进行人体磁场检测，资料来源于Element Six。
Element Six公司专注于该技术的研发工作，并与美国的QDTI公司携手合作。他们成功研制出一种新型设备，该设备采用单晶金刚石材料，能够迅速识别血浆、脑脊液以及其他体内提取样本中的生物标志物。该设备能够检测特定蛋白质所引发的磁场，这有助于在疾病早期阶段进行识别，包括癌症以及阿尔茨海默症等神经退行性疾病。
此法采用含有NV中心的纳米金刚石粒子，此类粒子具有出色的生物相容性。荷兰的QT Sense公司正利用这一特性，研发纳米核磁共振扫描设备，旨在测定带有内在磁场的分子浓度。与此同时，澳大利亚的FeBI Technologies公司正致力于开发一种新型设备，该设备能够通过纳米金刚石颗粒来检测铁蛋白的磁性。这一设备的灵敏度预计将超越传统MRI技术，高达9个数量级。因此，患者将能够借助这一既精确又经济的设备，迅速检测出自己血液中的铁含量。
可穿戴式医疗设备
可穿戴医疗设备已成为生物医学工程研究的热点之一，人们渴望在日常生活中携带便捷的设备，以便持续关注自己的健康状况。特别是对于糖尿病患者、高血压患者等患者群体，这项技术显得尤为重要。此外，量子技术同样能为这一领域带来益处。
NIQS Tech成立于2022年，该公司的科研骨干主要来自英国利兹大学，目前他们正在进行一项研究，旨在开发一款能够精确测量血糖浓度的非侵入式传感器。
传统血糖仪的操作要求用户用针头刺入皮肤，以获取血液样本来测量血糖，这一步骤常常伴随着让人不适的痛楚。相比之下，新型的设备通过光谱测量技术开yun体育app入口登录，无需刺痛，但针对肤色较深的人群，其检测效果却并不尽如人意。
NIQS团队所开发的传感器借助二氧化硅掺杂技术平台，成功实现了量子干涉效应。换句话说，该设备一旦与皮肤接触并受到激光照射，便会发出荧光。而荧光的持续时长与患者血液中的葡萄糖浓度密切相关。因此，这种方法既不受患者肤色影响，又无需进入体内进行采样。NIQS团队的产品业已成功完成实验室的检测，他们正致力于对设备进行进一步精简，旨在研发出一款能够持续监测血糖水平的便携式穿戴设备。
身体成像
量子技术在医疗领域的应用之一涉及身体扫描，这一技术使得病患无需活检即可获得诊断结果。诺丁汉大学的科研团队在2023年成功研发了一种适用于脑磁图（MEG）的可穿戴式光泵浦磁力仪。该磁力仪利用量子技术开元ky888棋牌官方版，其内置的磁感应器能够探测到大脑神经元放电时产生的细微磁场。患者在使用时，既可选择舒适地坐着佩戴，也可在行走过程中继续使用。
此外，量子扫描技术在乳腺癌的诊断中发挥着重要作用。在常规操作中，医生会要求患者接受低剂量X射线的乳房组织扫描。然而，这种检查存在一个难题：由于乳房内同时存在低密度的脂肪和高密度的其他组织，后者在暗背景下会形成类似“白色风暴”的干扰现象，使得医生难以区分正常组织和可能存在的恶性肿瘤。
这种情况将对约40%乳腺组织密度较高的女性诊断造成重大影响，因此，我们可以考虑采用分子乳腺成像技术（MBI）作为替代方案。该技术首先要求向患者体内注入放射性示踪剂，通过静脉注射的方式，“照亮”乳腺中可能存在的癌症区域，即便在乳腺组织密度较高的情况下，也能实现正常的检测。
然而，这种方法还有一个缺陷，患者所接受的示踪剂辐射量通常比X光检查所用的剂量要大，尽管这个辐射量仍在安全限度内，但这仍要求患者进行较长时间的成像，以便收集到足够的信号，从而确保诊断的准确性。
为了解决辐射剂量的问题，英国量子技术公司Kromek的研究人员提出了一种解决方案。他们采用了碲化镉锌（CZT）半导体材料，这种材料只需一个伽马射线光子就能产生可检测的电压脉冲。CZT半导体在X射线和伽马射线光子的能量范围内均表现出优异的性能，并且能够集成到在室温下工作的微型芯片中。初步研究显示，该超低剂量检测技术及超快速检测设备的应用，所需示踪剂的量仅为传统MBI方法的八分之一。
