量子传感技术如何改善人类健康？

如今，量子技术在计算、通信、密码等领域的应用令人瞩目，但它的前景不限于此。量子物理学也将对药学、医学和医疗保健等领域的发展产生巨大影响。以药物研发为例，量子计算机能够以更高的精度表针原子结构，加快计算速度，从而识别出潜在的药物反应。

当谈及医疗领域，量子技术又将如何发挥自身特长和优势呢？目前存在哪些潜在的技术和项目？

量子传感技术

2024年10月，英国创新局（Innovate UK）公开发表了一篇题为《生命的量子技术》（Quantum for Life）的报告[1]，细致探讨了量子传感、量子计算、通信和安全技术对英国生命科学、医疗护理领域发展的贡献以及应用潜力，旨在加深认识，开启全新的合作机遇。

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。其实，早在2013年，英国科学家和政府代表就齐聚一堂，共同制定出《英国国家量子技术计划》（UK National Quantum Technologies Programme）[2]，这一产学研合项目[3]耗资10亿英镑，计划持续至2033年，将量子传感与成像技术设定为重点研究方向之一，也明确了医疗保健为重点应用领域之一。

事实上，大多数大型医院已经在磁共振成像仪（MRI）中添置了量子传感器。MRI问世于上世纪70年代，利用磁场和无线电波操纵氢原子的量子自旋态。通过测量自旋态的弛豫时间，对大脑等软组织进行成像。如今，MRI早已成为现代医学不可或缺的重要诊断、检测工具。

虽然MRI测量的是原子的量子特性，但其中使用的传感器往往是经典传感器。本质上由电磁线圈组成，以检测原子自旋方向改变时产生的磁通量。然而，最新一代的纳米级量子传感器的灵敏度足以探测生物系统的磁场。与此同时，传感器的核心部件仅由单个原子组成，可以监测环境的细微变化。

《生命的量子技术》报告指出，许多不同量子技术研发公司与机构正在医疗保健领域大展拳脚，其中许多利用金刚石等材料中的光子、电子或自旋缺陷，已开发出应用前景光明的量子传感器。具体来说，用于医疗保健的量子传感技术大致可分为以下五大类：

1

实验室量子诊断

第一类与实验室诊断相关，训练有素的工作人员使用量子传感器观测人体内部情况，从体内问题到细胞成分等各个方面来识别、诊断癌症等疾病。

目前，确诊癌症的唯一方法是在实验室显微镜下展开细胞样本活体检测。活检通常使用可见光，但这样容易损坏样本，让诊断变得棘手。另一选择是使用红外光，通过监测细胞吸收的特定波长，识别样本中的化合物，从而追踪与癌症相关的分子变化。

不过这些方法存在若干难点：首先是难以区分诊断所需的分子信号与背景噪声，另外，红外成像仪的成本远高于利用可见光进行检测的成像仪。

此时，量子物理学给用于实验室诊断的量子传感器研发提供了新思路：纠缠光子对。具体来说，研究人员使用激光穿过非线性晶体产生的纠缠光子，每一个激光光子可被转换成两个低能光子：一个是可见光子，另一个是红外光子，而这一转换过程则称为自发参量下转换。来自伦敦帝国理工学院的科学家研发出的癌症分级和预后可见解决方案Digistain便是利用上述思路（如下图所示），允许红外光子穿过样本，而可见光子被探测器接收。得益于光子纠缠效应，可见光子可提供有关红外光子以及癌细胞存在的信息。

▲图示：基于纠缠光子对的量子传感器运作机制，利用纠缠光子对检测癌细胞的存在从而对疾病做出诊断。图片来源：Digistain

▲图示：基于染色技术的传统活检方法（左）与Digistain设计的纠缠光子对检测方法（右）所观察到的细胞。图片来源：Digistain

团队于2023年9月将该成果[4]发表在《物理学评论A》（Physical Review A）期刊上，研究人员表示，如果红外光子被乳腺癌细胞吸收，那么会立刻影响到与其发生纠缠的可见光子，因此通过监测可见光，便可获得癌细胞存在的相关信息。所制备出探测器比红外探测器成本更低廉、速度更快且灵敏度高出数倍。

尽管该技术有助于在肿瘤形成之前迅速诊断癌症是否存在，不过目前仍需要肿瘤科医生确定具体应用情况。

2

即时诊断

即时诊断（POC）是医疗行业中的一个重要研究领域，新冠疫情让我们深刻认识到即时诊断的重大意义。当时普遍采用的侧向层析测试（LFT）简单、快速、廉价，也被证明是全球抗击新冠疫情的关键手段之一。这种最初用于实验室的检测设备，如今已走入千家万户，大部分在家中就能及时进行检测。

而量子技术对POC的贡献在于可以进一步缩小此类检测的规模，且结果更加精确，方便在医院、诊所、以及家庭中使用。

目前，疾病生物指标通常通过荧光标记物来标记分子，测量其发光的位置、时间与强度。但由于某些生物分子本身就具有荧光性，因此需要处理测量结果以排除背景噪声干扰。

而一种基于量子技术的新兴替代方案通过测量生物样本的微小磁场来进行表征，经过特殊设计的氮空位（NV）缺陷金刚石就是该技术所使用的理想材料以实现磁场检测。材料制备过程相当简单：从晶格中移除两个碳原子，形成两个空位，在其中一个空位中填充上一个氮原子，同时保留另一个空位。这样，缺陷空位类似于具有离散能级的原子，每一个缺陷的自旋态都会受到局部磁场的影响。当使用绿色激光脉冲照射金刚石时，NV中心从基态转变为激发态，而当关闭激光，缺陷中心会返回基态，同时发射出可探测的可见光子。而激光关闭时荧光强度下降的速率取决于局部磁场。

▲图示，使用金刚石中的NV中心来测量人体磁场。来源：Element Six

英国Element Six公司致力于上述技术的开发，该公司与美国QDTI合作，已经研发出一种基于单晶金刚石的设备，可快速识别血浆、脑脊液和为其他体内提取样本中的生物标志物。该设备可检测特定蛋白质产生的磁场，从而有助于在早期阶段识别疾病，包括癌症与阿尔茨海默症等神经退行性疾病。

另一方法则使用同样具有NV中心的纳米级金刚石颗粒，因为这种颗粒具备高度生物相容性优势。荷兰QT Sense公司正以此为基础制造纳米核磁共振扫描仪，用于测量具有内在磁场的分子浓度。与此同时，澳大利亚FeBI Technologies公司正在研发利用纳米金刚石颗粒测量铁蛋白磁性的设备，其灵敏度将比传统的MRI高出9个数量级，使得患者能够使用这一精准又廉价的设备快速检测出自身血液中的铁含量。

3

可穿戴式医疗设备

可穿戴式医疗设备早已成为生物医学工程领域的热门研究课题之一，人们希望能够在日常生活中携带简便的设备以持续监测自身健康状况，尤其对于患有糖尿病、高血压等疾病的人来说，这样的技术尤为有用，而量子技术亦能惠及该领域。

NIQS Tech创立于2022年，其科研团队来自英国利兹大学，他们正开发一种用于测量血糖水平的高精度、非侵入式传感器。

传出传统血糖仪需要使用者将针头刺入体内，采集血液样本来确定血糖水平，这一过程难免产生令人不快的疼痛感。而较新的设备基于光进行光谱测量，虽然避免刺痛，但对于肤色较深的使用者，检测效果并不理想。

NIQS团队研发的传感器则利用二氧化硅掺杂平台，实现量子干涉效应。换言之，当该设备与皮肤接触后，受到激光照射，[5]会发出荧光，荧光持续的时间长短取决于患者血液中的葡萄糖含量。如此一来，既不会受到患者肤色干扰，也不会侵入体内采样。如今，NIQS团队的产品已通过实验室测试，致力于进一步缩小设备，打造出一款可持续检测血糖水平的可穿戴式便携设备。

4

身体成像

量子技术的第四个应用领域是身体扫描，让患者无需经历活检便可得到诊断。来自诺丁汉大学的科学家于2023年开发出可用于脑磁图（MEG）的可穿戴式光泵浦磁力仪。基于量子技术的磁感应器可感知大脑神经元放电时产生的微弱磁场，患者既可以舒服地坐着佩戴这种磁力仪，也可以边走动边使用。

此外，量子扫描技术还有助于乳腺癌诊断。通常情况下， 会要求让患者的乳房组织暴露在低剂量的X射线中，这样的检查会产生一个问题：由于乳房中同时含有低密度脂肪与其他高密度组织，后者在黑暗背景衬托下会产生如同“白色风暴”般的干扰效应，让医生难以辨别健康组织与潜在的恶性肿瘤。

这一情况会严重影响对约40%高密度乳腺组织偏高的女性的诊断结果，一个替代方法是使用分子乳腺成像技术（MBI）。首先，需要通过静脉注射向患者体内注入放射性示踪剂，“照亮”乳腺中潜在的癌症区域，即使面对致密的乳腺组织也能正常检测。

但是，这方法存在另一个问题，患者接触到的示踪剂辐射量往往高于X光检查产生的剂量，尽管仍在安全范围之内，这却意味着患者必须进行长时间的成像才能获得足够的信号以做出准确诊断。

为了克服辐射剂量问题，英国量子技术公司Kromek的科研团队提供了一个解决思路，他们使用碲化镉锌 (CZT) 半导体，仅需单个伽马射线光子便可产生可测量的电压脉冲。CZT不仅在广泛的X射线与伽马射线光子能量范围内都效果显著，还能集成到室温条件下运作的小型芯片上。其超低剂量与超快检测器的初步研究结果表明[6]，所需的示踪剂用量仅为传统MBI的八分之一。

▲图片来源：Kromek

公司的科学家们目前正在设计和制造全尺寸原型机，作为英国创新局耗资250万英镑支持的“超低剂量MBI”项目之一，该项目将与纽卡斯尔的医院、伦敦大学学院和纽卡斯尔大学的研究人员一起合作展开。

5

显微技术

最后一个能让量子技术大显身手的重要应用领域是显微镜技术。发展至今日，显微镜技术不仅仅指可见光显微镜，还包括拉曼显微镜、双光子显微镜，再到荧光寿命成像和多光子显微镜等多种显微镜技术。这些技术能够以不同尺度和速度对样本成像，但与此同时，它们的发展也都达到了各自的极限，亟待突破。

此刻，量子技术恰能助一臂之力。格拉斯哥大学的研究人员利用纠缠光子对，通过“鬼成像”技术增强显微镜成像效果，2020年，团队在《科学·进展》（Science Advances）期刊上发表了自己的研究成果[7]，报告使用量子照明（quantum illumination）创建了一套全场成像系统，让每对光子中的一个探测光子与样本发生相互作用，随后检测另一参考光子而进行成像。该技术的一大优势是可避免低光成像时产生的噪声干扰。

▲图示：格拉斯哥大学团队设计的成像系统运作原理。用紫外激光泵浦照射β-硼酸钡 (BBO)非线性晶体，通过下转换产生纠缠光子对，其中探测光子与远场中的目标物体发生相互作用，而参考光子通过无障碍光通道。研究人员放置在不同位置的3片透镜组成量子臂光学系统，将光转换到远场，最终通过显微镜载玻片盖反射投射到远场EMCCD成像仪上。来源：论文

与此同时，思克莱德大学的研究人员则利用纳米金刚石解决了添加到生物样本中的染料最终停止发出荧光的问题。团队于2019年发表在《皇家学会开放科学》（Royal Science Open Science）期刊上的论文表明，尺寸在5至100纳米范围内的纳米金刚石由于其光稳定性，可作为光学成像的稳定萤光团，不仅适用于双光子成像，而且与计算超分辨率技术结合，能显著提高分辨率。团队使用双光子激发显微镜对样本进行连续成像和观测，最终得到的分辨率提高了10倍。

展望未来

尽管量子传感器在医学领域潜力巨大，但要走出实验室，进入临床应用，仍面临诸多挑战。其中，可扩展性、可靠性、成本低廉且数量充足等挑战尤为突出。因此，科学家没有停下研究的角度，学术界与业界携手并进。

总部位于布里斯托尔的RobQuant公司正在开发固态半导体量子传感器实现大脑非侵入式磁扫描，此类传感器采用消费级电子产品标准处理技术制造，并且拓展至扫描身体不同部位。

伦敦大学学院牵头并投资2400万英镑成立的Q-BIOMED生物医学传感中心则计划利用单晶金刚石和金刚石纳米颗粒来开发和商业化量子传感器，以便在早期阶段诊断并治疗癌症和阿尔茨海默症等疾病。这一思路并不罕见，全球目前有许多初创公司致力于开发基于金刚石的量子技术。

由此可见，日益成熟的量子传感器技术无疑在不远的未来推动医疗保健应用的蓬勃发展。

原文链接：https://physicsworld.com/a/how-quantum-sensors-could-improve-human-health-and-wellbeing/

编译：金烨

参考资料：

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