测量大脑活动的新型量子传感器有可能彻底改变我们对人类如何应对睡眠、运动、饮食和衰老的理解。配备高灵敏度量子磁场传感器的头盔比传统扫描仪更通用、更舒适，正在商业化。在本文中，IDTechEx 概述了这些新型可穿戴传感器背后的科学原理以及该技术在更广泛的量子传感器市场中的前景——预计到 2044 年将达到 71 亿美元。
量子传感器市场预测。图片来源：IDTechEx
超导传感器限制应用
大脑活动会产生微小的（毫微微特斯拉）磁场。测量这些信号的现有方法是使用超导量子干涉装置（SQUID）。然而，该技术需要过冷，因此仅限于集成到大型扫描仪中。这不仅限制了 SQUID 与大脑的距离（影响灵敏度），而且对于需要长时间保持静止的患者来说也会感到不舒服。这给幼儿和帕金森等运动障碍人士带来了一个特殊的问题。它还限制了研究人员将大脑与睡眠和运动等关键相关活动联系起来的能力。
新型量子传感器可在室温下运行
最近，出现了一种可在室温下操作的 SQUID 替代品，即光泵磁力计 (OPM)。没有利用超导性来实现高灵敏度，而是使用碱蒸气的自旋态。这些可以使用标准光学元件（例如激光器、蒸汽电池和光电二极管）进行监控。因此，这些毫米级设备可以放置在头盔内的阵列中，更靠近大脑。其结果是一种可穿戴量子传感器阵列，可以测量大脑活动，其灵敏度和空间分辨率与现有扫描仪相当，但解锁了那些以前由于禁止移动而无法访问的应用程序。
新工厂将生产小型化量子元件
近年来，人们越来越关注开发可扩展的量子组件制造方法。例如，博世、弗劳恩霍夫等公司的研究也展示了如何采用 MEM 制造技术来进一步优化蒸汽电池生产。未来，每个晶圆上可以商业化生产更多器件，而不是通过试验线进行小批量生产。这不仅可以降低每个 OPM 的成本，还可以减小传感器尺寸，从而提高可实现的空间分辨率，从而增加价值。
大规模生产的量子组件对于扩大多种新兴技术的规模至关重要，包括量子计算、量子通信、网络以及量子传感。这促使全球对新的量子铸造厂和制造设施进行投资，用于光学、超导甚至金刚石元件。这只会有助于量子传感器（包括可穿戴 OPM）的商业化。
市场机遇与挑战
人们对监测大脑活动的兴趣正在上升。造成这种情况的原因之一是人口年龄的增长，以及因此导致的与年龄相关的疾病（例如阿尔茨海默病和帕金森病）的流行。通过可穿戴神经成像解决方案，可以更轻松地了解大脑健康、活动、睡眠、饮食和衰老之间的联系。除此之外，癫痫研究和诊断，特别是针对儿童或在验配期间，也将受益于现有扫描仪的替代品。SQUID 在神经成像市场的历史使用表明它们是量子传感技术的早期采用者，因此也是 OPM 开发人员的关键目标市场。寻求颠覆医疗市场的著名公司有 Cerca Magnetics、QuSpin 和 Mag4Health。在每个实例中，
然而，采用 OPM 的挑战仍然存在。一个限制是需要在包含消除地球磁场的基础设施的专门房间中使用。因此，虽然 OPM 比传统扫描仪更方便，但它们的使用可能仍仅限于临床环境。因此，尽管人们对 AR 和 VR 的可穿戴神经接口越来越感兴趣，但这项技术不太可能在消费市场找到机会。此外，如果不开发前面讨论的更具可扩展性的制造基础设施，每个传感器的成本将仍然很高（通常为 5000 美元至 10000 美元）。
展望与结论
光泵磁力计结合了量子传感器和可穿戴技术的价值主张：高灵敏度和易用性。这项技术在神经成像市场中有实际应用，预计测量大脑活动的头盔将得到越来越多的采用。然而，量子技术可能会有更大规模的应用。例如，正在开发量子传感器来测量时间、电流、重力和旋转——其中一些传感器可以应用于汽车和消费电子市场。此外，不断发展的量子计算行业还依赖于量子传感器的开发来读取量子位——创造最大的商业价值需要数百万个量子位。所有这些趋势以及更多，以及十年市场预测。
