如今，量子技術在計算、通信、密碼等領域的應用令人矚目，但它的前景不限于此。量子物理學也將對藥學、醫學和醫療保健等領域的發展產生巨大影響。以藥物研發為例，量子計算機能夠以更高的精度表針原子結構，加快計算速度，從而識別出潛在的藥物反應。

當談及醫療領域，量子技術又將如何發揮自身特長和優勢呢？目前存在哪些潛在的技術和項目？

量子傳感技術

2024年10月，英國創新局（Innovate UK）公開發表了一篇題為《生命的量子技術》（Quantum for Life）的報告[1]，細致探討了量子傳感、量子計算、通信和安全技術對英國生命科學、醫療護理領域發展的貢獻以及應用潛力，旨在加深認識，開啟全新的合作機遇。

報告中著重強調了量子傳感器對推動醫療保健發展的關鍵作用。其實，早在2013年，英國科學家和政府代表就齊聚一堂，共同制定出《英國國家量子技術計劃》（UK National Quantum Technologies Programme）[2]，這一產學研合項目[3]耗資10億英鎊，計劃持續至2033年，將量子傳感與成像技術設定為重點研究方向之一，也明確了醫療保健為重點應用領域之一。

事實上，大多數大型醫院已經在磁共振成像儀（MRI）中添置了量子傳感器。MRI問世于上世紀70年代，利用磁場和無線電波操縱氫原子的量子自旋態。通過測量自旋態的弛豫時間，對大腦等軟組織進行成像。如今，MRI早已成為現代醫學不可或缺的重要診斷、檢測工具。

雖然MRI測量的是原子的量子特性，但其中使用的傳感器往往是經典傳感器。本質上由電磁線圈組成，以檢測原子自旋方向改變時產生的磁通量。然而，最新一代的納米級量子傳感器的靈敏度足以探測生物系統的磁場。與此同時，傳感器的核心部件僅由單個原子組成，可以監測環境的細微變化。

《生命的量子技術》報告指出，許多不同量子技術研發公司與機構正在醫療保健領域大展拳腳，其中許多利用金剛石等材料中的光子、電子或自旋缺陷，已開發出應用前景光明的量子傳感器。具體來說，用于醫療保健的量子傳感技術大致可分為以下五大類：

1

實驗室量子診斷

第一類與實驗室診斷相關，訓練有素的工作人員使用量子傳感器觀測人體內部情況，從體內問題到細胞成分等各個方面來識別、診斷癌癥等疾病。

目前，確診癌癥的唯一方法是在實驗室顯微鏡下展開細胞樣本活體檢測。活檢通常使用可見光，但這樣容易損壞樣本，讓診斷變得棘手。另一選擇是使用紅外光，通過監測細胞吸收的特定波長，識別樣本中的化合物，從而追蹤與癌癥相關的分子變化。

不過這些方法存在若干難點：首先是難以區分診斷所需的分子信號與背景噪聲，另外，紅外成像儀的成本遠高于利用可見光進行檢測的成像儀。

此時，量子物理學給用于實驗室診斷的量子傳感器研發提供了新思路：糾纏光子對。具體來說，研究人員使用激光穿過非線性晶體產生的糾纏光子，每一個激光光子可被轉換成兩個低能光子：一個是可見光子，另一個是紅外光子，而這一轉換過程則稱為自發參量下轉換。來自倫敦帝國理工學院的科學家研發出的癌癥分級和預后可見解決方案Digistain便是利用上述思路（如下圖所示），允許紅外光子穿過樣本，而可見光子被探測器接收。得益于光子糾纏效應，可見光子可提供有關紅外光子以及癌細胞存在的信息。

▲圖示：基于糾纏光子對的量子傳感器運作機制，利用糾纏光子對檢測癌細胞的存在從而對疾病做出診斷。圖片來源：Digistain

▲圖示：基于染色技術的傳統活檢方法（左）與Digistain設計的糾纏光子對檢測方法（右）所觀察到的細胞。圖片來源：Digistain

團隊于2023年9月將該成果[4]發表在《物理學評論A》（Physical Review A）期刊上，研究人員表示，如果紅外光子被乳腺癌細胞吸收，那么會立刻影響到與其發生糾纏的可見光子，因此通過監測可見光，便可獲得癌細胞存在的相關信息。所制備出探測器比紅外探測器成本更低廉、速度更快且靈敏度高出數倍。

盡管該技術有助于在腫瘤形成之前迅速診斷癌癥是否存在，不過目前仍需要腫瘤科醫生確定具體應用情況。

2

即時診斷

即時診斷（POC）是醫療行業中的一個重要研究領域，新冠疫情讓我們深刻認識到即時診斷的重大意義。當時普遍采用的側向層析測試（LFT）簡單、快速、廉價，也被證明是全球抗擊新冠疫情的關鍵手段之一。這種最初用于實驗室的檢測設備，如今已走入千家萬戶，大部分在家中就能及時進行檢測。

而量子技術對POC的貢獻在于可以進一步縮小此類檢測的規模，且結果更加精確，方便在醫院、診所、以及家庭中使用。

目前，疾病生物指標通常通過熒光標記物來標記分子，測量其發光的位置、時間與強度。但由于某些生物分子本身就具有熒光性，因此需要處理測量結果以排除背景噪聲干擾。

而一種基于量子技術的新興替代方案通過測量生物樣本的微小磁場來進行表征，經過特殊設計的氮空位（NV）缺陷金剛石就是該技術所使用的理想材料以實現磁場檢測。材料制備過程相當簡單：從晶格中移除兩個碳原子，形成兩個空位，在其中一個空位中填充上一個氮原子，同時保留另一個空位。這樣，缺陷空位類似于具有離散能級的原子，每一個缺陷的自旋態都會受到局部磁場的影響。當使用綠色激光脈沖照射金剛石時，NV中心從基態轉變為激發態，而當關閉激光，缺陷中心會返回基態，同時發射出可探測的可見光子。而激光關閉時熒光強度下降的速率取決于局部磁場。

▲圖示，使用金剛石中的NV中心來測量人體磁場。來源：Element Six

英國Element Six公司致力于上述技術的開發，該公司與美國QDTI合作，已經研發出一種基于單晶金剛石的設備，可快速識別血漿、腦脊液和為其他體內提取樣本中的生物標志物。該設備可檢測特定蛋白質產生的磁場，從而有助于在早期階段識別疾病，包括癌癥與阿爾茨海默癥等神經退行性疾病。

另一方法則使用同樣具有NV中心的納米級金剛石顆粒，因為這種顆粒具備高度生物相容性優勢。荷蘭QT Sense公司正以此為基礎制造納米核磁共振掃描儀，用于測量具有內在磁場的分子濃度。與此同時，澳大利亞FeBI Technologies公司正在研發利用納米金剛石顆粒測量鐵蛋白磁性的設備，其靈敏度將比傳統的MRI高出9個數量級，使得患者能夠使用這一精準又廉價的設備快速檢測出自身血液中的鐵含量。

3

可穿戴式醫療設備

可穿戴式醫療設備早已成為生物醫學工程領域的熱門研究課題之一，人們希望能夠在日常生活中攜帶簡便的設備以持續監測自身健康狀況，尤其對于患有糖尿病、高血壓等疾病的人來說，這樣的技術尤為有用，而量子技術亦能惠及該領域。

NIQS Tech創立于2022年，其科研團隊來自英國利茲大學，他們正開發一種用于測量血糖水平的高精度、非侵入式傳感器。

傳出傳統血糖儀需要使用者將針頭刺入體內，采集血液樣本來確定血糖水平，這一過程難免產生令人不快的疼痛感。而較新的設備基于光進行光譜測量，雖然避免刺痛，但對于膚色較深的使用者，檢測效果并不理想。

NIQS團隊研發的傳感器則利用二氧化硅摻雜平臺，實現量子干涉效應。換言之，當該設備與皮膚接觸后，受到激光照射，[5]會發出熒光，熒光持續的時間長短取決于患者血液中的葡萄糖含量。如此一來，既不會受到患者膚色干擾，也不會侵入體內采樣。如今，NIQS團隊的產品已通過實驗室測試，致力于進一步縮小設備，打造出一款可持續檢測血糖水平的可穿戴式便攜設備。

4

身體成像

量子技術的第四個應用領域是身體掃描，讓患者無需經歷活檢便可得到診斷。來自諾丁漢大學的科學家于2023年開發出可用于腦磁圖（MEG）的可穿戴式光泵浦磁力儀。基于量子技術的磁感應器可感知大腦神經元放電時產生的微弱磁場，患者既可以舒服地坐著佩戴這種磁力儀，也可以邊走動邊使用。

此外，量子掃描技術還有助于乳腺癌診斷。通常情況下， 會要求讓患者的乳房組織暴露在低劑量的X射線中，這樣的檢查會產生一個問題：由于乳房中同時含有低密度脂肪與其他高密度組織，后者在黑暗背景襯托下會產生如同“白色風暴”般的干擾效應，讓醫生難以辨別健康組織與潛在的惡性腫瘤。

這一情況會嚴重影響對約40%高密度乳腺組織偏高的女性的診斷結果，一個替代方法是使用分子乳腺成像技術（MBI）。首先，需要通過靜脈注射向患者體內注入放射性示蹤劑，“照亮”乳腺中潛在的癌癥區域，即使面對致密的乳腺組織也能正常檢測。

但是，這方法存在另一個問題，患者接觸到的示蹤劑輻射量往往高于X光檢查產生的劑量，盡管仍在安全范圍之內，這卻意味著患者必須進行長時間的成像才能獲得足夠的信號以做出準確診斷。

為了克服輻射劑量問題，英國量子技術公司Kromek的科研團隊提供了一個解決思路，他們使用碲化鎘鋅 (CZT) 半導體，僅需單個伽馬射線光子便可產生可測量的電壓脈沖。CZT不僅在廣泛的X射線與伽馬射線光子能量范圍內都效果顯著，還能集成到室溫條件下運作的小型芯片上。其超低劑量與超快檢測器的初步研究結果表明[6]，所需的示蹤劑用量僅為傳統MBI的八分之一。

▲圖片來源：Kromek

公司的科學家們目前正在設計和制造全尺寸原型機，作為英國創新局耗資250萬英鎊支持的“超低劑量MBI”項目之一，該項目將與紐卡斯爾的醫院、倫敦大學學院和紐卡斯爾大學的研究人員一起合作展開。

5

顯微技術

最后一個能讓量子技術大顯身手的重要應用領域是顯微鏡技術。發展至今日，顯微鏡技術不僅僅指可見光顯微鏡，還包括拉曼顯微鏡、雙光子顯微鏡，再到熒光壽命成像和多光子顯微鏡等多種顯微鏡技術。這些技術能夠以不同尺度和速度對樣本成像，但與此同時，它們的發展也都達到了各自的極限，亟待突破。

此刻，量子技術恰能助一臂之力。格拉斯哥大學的研究人員利用糾纏光子對，通過“鬼成像”技術增強顯微鏡成像效果，2020年，團隊在《科學·進展》（Science Advances）期刊上發表了自己的研究成果[7]，報告使用量子照明（quantum illumination）創建了一套全場成像系統，讓每對光子中的一個探測光子與樣本發生相互作用，隨后檢測另一參考光子而進行成像。該技術的一大優勢是可避免低光成像時產生的噪聲干擾。

▲圖示：格拉斯哥大學團隊設計的成像系統運作原理。用紫外激光泵浦照射β-硼酸鋇 (BBO)非線性晶體，通過下轉換產生糾纏光子對，其中探測光子與遠場中的目標物體發生相互作用，而參考光子通過無障礙光通道。研究人員放置在不同位置的3片透鏡組成量子臂光學系統，將光轉換到遠場，最終通過顯微鏡載玻片蓋反射投射到遠場EMCCD成像儀上。來源：論文

與此同時，思克萊德大學的研究人員則利用納米金剛石解決了添加到生物樣本中的染料最終停止發出熒光的問題。團隊于2019年發表在《皇家學會開放科學》（Royal Science Open Science）期刊上的論文表明，尺寸在5至100納米范圍內的納米金剛石由于其光穩定性，可作為光學成像的穩定螢光團，不僅適用于雙光子成像，而且與計算超分辨率技術結合，能顯著提高分辨率。團隊使用雙光子激發顯微鏡對樣本進行連續成像和觀測，最終得到的分辨率提高了10倍。

展望未來

盡管量子傳感器在醫學領域潛力巨大，但要走出實驗室，進入臨床應用，仍面臨諸多挑戰。其中，可擴展性、可靠性、成本低廉且數量充足等挑戰尤為突出。因此，科學家沒有停下研究的角度，學術界與業界攜手并進。

總部位于布里斯托爾的RobQuant公司正在開發固態半導體量子傳感器實現大腦非侵入式磁掃描，此類傳感器采用消費級電子產品標準處理技術制造，并且拓展至掃描身體不同部位。

倫敦大學學院牽頭并投資2400萬英鎊成立的Q-BIOMED生物醫學傳感中心則計劃利用單晶金剛石和金剛石納米顆粒來開發和商業化量子傳感器，以便在早期階段診斷并治療癌癥和阿爾茨海默癥等疾病。這一思路并不罕見，全球目前有許多初創公司致力于開發基于金剛石的量子技術。

由此可見，日益成熟的量子傳感器技術無疑在不遠的未來推動醫療保健應用的蓬勃發展。

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

編譯：金燁

參考資料：

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