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quantum-sensor-simulator

An interactive simulator that demonstrates how quantum sensors exploit quantum mechanical properties like superposition and entanglement to achieve measurements far beyond the limits of classical sensors. Users can explore SQUID magnetometers, nitrogen-vacancy (NV) center diamond sensors, and atomic clocks, comparing their sensitivities and applications in real-time.

🔬 立即試用

這是什麼?

🎯 模擬器提示

📚 術語表

Qubit
量子資訊的基本單位,類似於經典的比特,但能夠同時以 0 和 1 的疊加形式存在。
Superposition
一種基本量子原理,其中量子系統在測量之前同時存在於多種狀態,使量子感測器能夠同時探測多個值。
Entanglement
兩個或多個粒子之間的量子相關性,無論距離如何,測量一個粒子即可立即確定另一個粒子的狀態,從而提高測量精度。
Decoherence
由於與環境的相互作用而導致量子行為的損失,這降低了量子感測器的靈敏度優勢並限制了測量時間。
SQUID
超導量子乾涉裝置-一種極其靈敏的磁力計,使用超導迴路中的約瑟夫森結來檢測微小的磁通量變化。
NV Center
氮空位中心-鑽石中的點缺陷,由緊鄰晶格空位的氮原子組成,其自旋狀態對磁場、溫度和應變敏感。
Josephson Junction
兩個超導體之間的薄絕緣屏障,庫柏對可以穿過它,形成 SQUID 感測器和其他超導量子設備的基礎。
Heisenberg Limit
測量精度的基本量子極限,縮放為 1/N,其中 N 是使用的量子資源數量,可透過糾纏實現。
Shot Noise Limit
由於粒子(光子、原子)的離散性質而產生的測量精度的經典限制,縮放比例為 1/sqrt(N)。
Femtotesla
磁場強度單位,等於 10^-15 特斯拉,大致相當於大腦神經活動產生的磁場大小。
Magnetoencephalography
一種神經成像技術,通常使用 SQUID 感測器來測量大腦電活動產生的磁場。
Coherence Time
量子系統在退相干破壞其量子特性之前保持其量子特性的持續時間,這是量子感測器性能的關鍵參數。
Ramsey Interferometry
一種利用與振盪場的兩個獨立相互作用進行精確頻率和相位測量的技術,廣泛應用於原子鐘和量子感測器。
Optical Lattice Clock
原子鐘將原子捕獲在雷射駐波中並探測光學躍遷,實現了前所未有的計時精度。
Quantum Squeezing
一種技術,可將一個測量變數中的雜訊降低到標準量子極限以下,但代價是共軛變數中的雜訊增加,從而提高感測器靈敏度。
Zeeman Effect
在存在外部磁場的情況下原子能階的分裂,量子磁力計利用它來極為精確地測量磁場強度。
Spin-Echo
一種脈衝序列技術,可逆轉量子自旋的相移,延長有效相干時間並提高 NV 中心和原子磁力計的靈敏度。
Quantum Fisher Information
對量子態攜帶的未知參數資訊的測量,為任何量子估計策略可實現的測量精度設定了最終界限。
Atom Interferometry
一種利用原子的波動特性來精確測量重力、旋轉和加速度的技術,構成了量子重力計和陀螺儀的基礎。
Magnetic Flux Quantum
磁通量的量化單位 (Phi_0 = h/2e ≈ 2.07 x 10^-15 Wb),SQUID 感測器透過超導迴路中的通量量化測量的基本量。
Dynamic Decoupling
應用於量子感測器的一系列脈衝序列,可抑制環境雜訊並延長相干時間,從而顯著提高現實條件下的測量靈敏度。
Quantum Gravimeter
一種使用原子乾涉測量法或其他量子技術來極為精確地測量重力加速度的設備,可用於地下測繪和大地測量。
Standard Quantum Limit
使用不相關(經典)量子資源進行測量的基本精度限制,對應於 N 個粒子的散粒噪聲縮放為 1/sqrt(N)。
Quantum Illumination
使用糾纏光子來偵測高雜訊環境中目標的感測協議,在低訊號範圍內比傳統方法具有高達 6 dB 的優勢。
Magnetocardiography
一種非侵入性技術,使用 SQUID 或光泵磁力計感測器測量心臟電活動產生的磁場。
Magic Wavelength
由 Hidetoshi Katori 發明的特定雷射波長,在該波長下時脈躍遷上的差分光偏移消失,從而實現光學晶格時鐘中的無擾動捕獲。

🏆 關鍵人物

David Wineland (2012 (Nobel Prize))

開創了用於量子資訊和精密光譜的離子阱技術,實現了超精密量子感測器。他對捕獲離子的研究導致了最精確原子鐘的發展。榮獲諾貝爾物理學獎。

Mikhail Lukin (2008-present)

在哈佛大學領導了用於量子感測和量子資訊處理的鑽石氮空位中心的突破性研究,展示了奈米級磁場成像和量子網路。

Jun Ye (2006-present)

在 JILA/NIST 開發的光學晶格鐘是迄今為止最精確的計時設備,能夠檢測厘米高度差內的重力時間膨脹。

Jorg Wrachtrup (1997)

率先使用鑽石中的單一 NV 中心進行奈米級磁振造影檢測,開創了鑽石量子感測領域。

John Clarke (1960s-2000s)

在加州大學柏克萊分校四十年來,對 SQUID 感測器技術及其在生物磁學、地球物理學和基礎物理實驗中的應用做出了基礎性貢獻。

Hidetoshi Katori (2001)

發明了使用神奇波長的光學晶格時鐘的概念,它消除了光移擾動並實現了下一代計時。

🎓 學習資源

💬 給學習者的話

{'encouragement': "Quantum sensing may sound complex, but at its heart it is about using nature's most fundamental rules to measure the world with incredible precision. Every expert started as a curious beginner, and your journey into quantum sensing begins right here.", 'reminder': 'Remember that the quantum revolution is not just about computers -- quantum sensors are already saving lives through better medical imaging and will transform navigation, geology, and fundamental science in the coming decades.', 'action': 'Experiment with the simulator! Try comparing SQUID, NV center, and atomic clock sensors. Change the noise levels and see how quantum enhancement makes a difference. The best way to learn quantum physics is by playing with it.', 'dream': 'We dream of a world where quantum sensing technology is accessible to hospitals in rural Africa, research stations in the Arctic, and schools in every village -- where the power of precision measurement serves all of humanity equally.', 'wiaVision': 'WIA Book believes that the most advanced science should be the most freely shared. Through free, interactive simulators in 206 languages, we work to ensure that no learner is left behind on the quantum frontier.'}

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