量子传感器的进步可能会彻底改变医学和医疗保健的世界。Matt Jones 检视了其中五个最有前景的领域。
（图片来自：Shutterstock/Anton Khrupin Art；iStock/berya113）
随着世界庆祝2025年国际量子科学和技术年，我们自然会关注量子物理在计算、通信和密码学中的令人兴奋的应用。但量子物理也将在医学和医疗保健领域产生巨大影响。特别是量子传感器可以帮助我们研究人体并改进医学诊断——事实上，几种系统已经接近商业化。
与此同时，量子计算机有一天可能通过提供更精确的原子结构表示并加速识别潜在药物反应的计算来帮助我们发现新药。但是还有哪些技术和项目存在呢？我们如何在医疗保健中开辟新的量子物理应用，并如何帮助发现这项技术的新潜在用例？
这些问题在最近由Innovate UK于2024年10月发布的一份报告中得到了解答。这份名为《生命量子》的报告旨在通过提高人们对量子物理学在医疗保健领域的作用的认识来启动新的合作。虽然该报告对量子计算和量子网络有很多讨论，但本文将重点关注即将部署的量子传感器。
传感器的重要性
量子科学对医疗保健的重要性并不是新鲜事。实际上，当一群学者和政府代表在2013年聚集在Chicheley Hall制定英国国家量子技术计划时，医疗保健就是他们确定的主要应用之一。由此产生的10亿英镑计划协调了英国的量子研究工作，最近又续签了十年，医疗保健仍然是其主要任务之一。
实际上，大多数大型医院已经在使用量子传感器，即磁共振成像（MRI）机器。这些设备在20世纪70年代被开发出来，利用磁场和无线电波操纵氢原子的量子自旋状态。通过测量这些状态放松所需的时间，MRI可以成像软组织，如大脑，并已成为现代医学工具箱的重要组成部分。
虽然MRI机器测量的是原子的量子特性，但传感器本身是经典的，基本上由电磁线圈组成，用于检测原子自旋方向改变时产生的磁通量。然而，最近我们看到了一种新的纳米级量子传感器，它们足够灵敏，可以检测目标生物系统发出的磁场。还有一些传感器只包含一个原子，可以监测环境中的微小变化。
有许多不同的基于量子的公司和机构正在医疗保健领域工作。
正如《生命量子》报告所显示的，有许多不同的基于量子的公司和机构正在医疗保健领域工作。还有许多有前途的量子传感器类型，使用光子、电子或材料中的自旋缺陷，通常是钻石。但最终重要的是量子传感器在医疗环境中能实现什么。
量子诊断
在编写报告时，很明显量子传感器技术在医疗保健方面分为五大类。第一类是报告中称为“实验室诊断”的领域，其中训练有素的工作人员使用量子传感器观察人体内部的情况。通过监测从我们的内部温度到细胞成分的一切，传感器可以帮助识别癌症等疾病。
目前，唯一确诊癌症的方法是从细胞样本进行活检，并在实验室中用显微镜检查。活检通常使用可见光进行，但这可能会损坏样本，使诊断变得困难。另一种选择是使用红外辐射。通过监测细胞吸收的具体波长，可以识别样本中的化合物，从而跟踪与癌症相关的分子变化。
不幸的是，很难将这些信号与背景噪声区分开来。此外，红外相机比可见光区域的相机昂贵得多。Digistain公司正在探索一种可能的解决方案，该公司于2019年从伦敦帝国理工学院分拆出来。它正在开发一种名为EntangleCam的产品，该产品使用两个纠缠光子——一个是红外光子，另一个是可见光子（图1）。
1 纠缠思维
a（改编自IOP Publishing的《生命量子：量子技术如何使英国生命科学和医疗保健受益》）
b（图片来自：Digistain）
a 量子物理学通过激光光通过非线性晶体产生的纠缠光子（左）来造福医疗保健的一种方式。每个激光光子都被转换成两个能量较低的光子——一个是可见光子，一个是红外光子——这一过程称为自发参量下转换。在Digistain公司开创的技术中，红外光子可以通过样本发送，而可见光子则被探测器捕获。由于光子是纠缠的，因此可见光子提供了关于红外光子的信息，从而提供了例如癌细胞的存在信息。b 这里显示的是传统染色活检（左）和Digistain方法（右）看到的细胞。
如果红外光子被乳腺癌细胞吸收，这会立即影响与其纠缠的可见光子。因此，通过测量可见光（可以使用便宜且高效的探测器进行），可以获得关于红外光子的信息——从而获得潜在癌细胞的存在信息（Phys. Rev. 108 032613）。该技术因此可以在肿瘤形成之前快速诊断癌症，尽管仍需要肿瘤学家来确定应用该技术的区域。
现场诊断
量子传感器的第二个有前途的应用是在“现场诊断”中。我们在COVID-19大流行期间都熟悉了这个概念，当时侧向流动测试成为全球应对病毒的重要部分。这些测试可以在任何地方进行，快速、简单、可靠且相对便宜。最初设计用于实验室的东西现在大多数人都可以在家中使用。
量子技术可以使这些测试进一步微型化并提高准确性，使其可以在医院、医生诊所甚至家庭中使用。目前，疾病的生物指标通常通过标记分子并测量其发光的位置、时间和强度来测量。但由于一些分子天然具有荧光性，这些测量结果必须经过处理以消除背景噪声。
一种新兴的基于量子的替代方法是通过测量生物样品的微小磁场来表征它们。例如，这可以通过专门设计的带有氮空位（NV）缺陷的金刚石来完成。每个缺陷都是通过从晶格中移除两个碳原子并在其中一个空隙中植入一个氮原子，留下另一个空隙。每个缺陷的行为类似于具有离散能级的原子，其自旋状态受局部磁场的影响，并可以通过其荧光读出。
一家在这方面工作的英国公司是Element Six。它与美国公司QDTI合作，制造了一种基于单晶金刚石的设备，可以快速识别血液浆液、脑脊液和其他从体内提取的样品中的生物标志物。该设备检测特定蛋白质产生的磁场，有助于在早期阶段识别各种癌症和神经退行性疾病，如阿尔茨海默病。另一家使用单晶金刚石检测癌细胞的公司是德国的Quantum Total Analysis Systems (QTAS)。
Element Six的量子技术主管Matthew Markham认为，医疗保健对公司来说是一个“真正的转折点”。他说：“几年前，这项工作主要集中在学术问题上。但现在我们看到这项技术正在应用于实际用例，并且正在过渡到工业界，设备正在现场测试。”
另一种方法是使用带有NV中心的纳米级金刚石颗粒，这些颗粒具有高度生物相容性。例如，荷兰的QT Sense正在使用这些纳米金刚石构建纳米MRI扫描仪，可以测量具有内在磁场的分子浓度。这种设备已经被生物医学研究人员用于研究单个细胞（图2）。
2 中心关注
（图片来自：Element Six）
金刚石中的氮空位缺陷——称为NV中心——是通过从晶格中移除两个碳原子并在其中一个空隙中植入一个氮原子，留下另一个空隙来制造的。使用绿色激光脉冲，NV中心可以从基态激发到激发态。如果关闭激光，缺陷返回基态，发射出可见光子，可以被探测器检测到。然而，激光关闭时荧光光下降的速率取决于局部磁场。正如Element Six和QTSense等公司发现的那样，金刚石中的NV中心是测量人体内磁场的好方法，尤其是因为周围的碳原子晶格屏蔽了NV中心的噪声。
澳大利亚公司FeBI Technologies正在开发一种使用纳米金刚石测量铁蛋白磁性的设备——铁蛋白是一种在体内储存铁的蛋白质。该公司声称其技术比传统MRI敏感九个数量级，并允许患者使用准确且便宜的设备监测血液中的铁含量。
可穿戴医疗
量子技术在医疗保健方面的第三个应用领域是《生命量子》报告中所称的“消费者医疗监测和可穿戴医疗”。换句话说，我们谈论的是允许人们在日常生活中持续监测健康的设备。这些技术特别适用于已被诊断为糖尿病或高血压等医疗状况的人。
例如，NIQS Tech于2022年从利兹大学分拆出来，正在开发一种高度准确、无创的血糖水平传感器。传统的血糖监测设备既痛苦又侵入性，因为它们基本上涉及在体内插入针头。虽然较新的设备使用基于光谱的测量方法，但它们对皮肤较深的患者效果较差。
NIQS Tech的传感器使用掺杂二氧化硅平台，使量子干涉效应成为可能。当放置在皮肤上并用激光光照射时，该设备会发出荧光，荧光寿命取决于用户血液中的葡萄糖量，无论肤色如何。NIQS已经通过实验室测试证明了概念验证，现在希望缩小技术规模，创建一种可以连续监测血糖水平的可穿戴设备。
身体成像
量子技术的第四个应用在于身体扫描，这使得无需活检即可诊断患者。Cerca Magnetics是一家在这方面领先的公司，它从诺丁汉大学分拆出来。2023年，它因其开发的用于脑磁图（MEG）的可穿戴光学泵磁力计赢得了由出版《Physics World》的物理研究所颁发的首届qBIG量子创新奖。其设备可用于在舒适的坐姿下扫描患者的脑部，甚至在他们移动时也可以。
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基于量子的扫描技术还可以帮助诊断乳腺癌，通常通过将患者的乳腺组织暴露于低剂量X射线下来进行。问题是所有乳房都含有低密度脂肪组织和其他高密度组织。后者在黑色背景下会产生“白色暴风雪”效果，使区分健康组织和潜在恶性肿瘤变得具有挑战性。
对于大约40%的女性来说，这个问题尤其严重，她们的高密度组织浓度较高。一种替代方法是使用分子乳腺成像（MBI），这涉及成像静脉注射到患者体内的放射性示踪剂的分布。然而，这种示踪剂会使患者暴露于更高的（尽管仍然安全的）辐射剂量，这意味着为了获得足够的信号，患者需要长时间成像。
解决办法可能在于英国公司Kromek，该公司使用镉锌碲（CZT）半导体，这些半导体仅从单个伽马射线光子就能产生可测量的电压脉冲。除了在广泛的X射线和伽马射线光子能量范围内非常高效外，CZTs还可以集成到室温下运行的小型芯片上。初步结果显示，Kromek的超低剂量和超快探测器只需传统MBI技术八分之一的示踪剂即可工作。
更快更好 乳腺癌通常通过使用X射线的乳腺摄影术检测，但在乳房组织密集的区域很难发现肿瘤。一种替代方法是分子乳腺成像（MBI），它使用放射性示踪剂来“点亮”乳腺中的癌症区域，并且即使在乳房组织密集的情况下也能工作。然而，MBI目前使患者暴露于比乳腺摄影术更多的辐射，而这正是英国公司Kromek开发的镉锌碲（CZT）半导体可以发挥作用的地方。它们仅从单个伽马射线光子就能产生可测量的电压脉冲，为“超低剂量MBI”打开了大门——在这种情况下，使用八分之一的辐射剂量生成更清晰的图像。（图片来自：Kromek）
Kromek的首席物理学家Alexander Cherlin说：“我们的原型已经显示出有希望的结果。”该公司目前正在设计和建造作为Innovate UK的250万英镑“超低剂量”MBI项目的一部分的全尺寸原型机，该项目将持续到2025年底。该项目涉及Kromek与纽卡斯尔的医院以及伦敦大学学院和纽卡斯尔大学的研究人员合作。
显微镜技术
量子传感器在医学中的最后一个应用领域是显微镜技术，如今显微镜不仅意味着可见光，还包括拉曼显微镜、双光子显微镜、荧光寿命成像和多光子显微镜。这些技术允许在不同尺度和速度下成像样品，但它们都在达到各种技术极限。
量子技术可以帮助我们突破显微镜技术的极限。
量子技术可以帮助我们突破这些极限。例如，格拉斯哥大学的研究人员使用纠缠光子对通过“鬼影成像”增强显微镜。每对光子中的一个与样品相互作用，通过检测其纠缠伴侣的效果来构建图像。该技术避免了低光成像时产生的噪声（Sci. Adv. 6 eaay2652）。
斯特拉斯克莱德大学的研究人员则使用纳米金刚石解决了添加到生物样品中的染料最终停止发光的问题。这种现象称为光漂白，会阻止样品在一定时间后继续被研究（Roy. Soc. Op. Sci. 6 190589）。在这项工作中，样品可以使用双光子激发显微镜持续成像和观察，分辨率提高了十倍。
展望未来
尽管量子传感器在医学方面具有巨大的潜力，但在实际临床环境中部署这些技术之前仍面临重大挑战。可扩展性——可靠、廉价且大规模地制造设备——是一个特别的问题。幸运的是，事情进展迅速。即使在《生命量子》报告于2024年末发布之后，我们也看到了新公司的成立来解决这些问题。
例如，位于布里斯托尔的RobQuant公司正在开发用于大脑非侵入性磁扫描的固态半导体量子传感器。这些传感器可以用消费电子产品中使用的标准加工技术制造，允许对身体的不同部位进行扫描。RobQuant声称其传感器坚固耐用，在常温下操作，无需加热或冷却。
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该公司联合创始人兼首席技术官Agnethe Seim Olsen认为，使量子传感器坚固且可扩展对于其在医疗保健领域的广泛应用至关重要。她认为英国在这些传感器的商业化方面处于领先地位，并将受益于该国最新阶段的量子枢纽。这些枢纽将学术界和企业聚集在一起，包括由伦敦大学学院领导的2400万英镑Q-BIOMED生物医学传感枢纽和由伯明翰大学领导的2750万英镑QuSIT成像和定时枢纽。
例如，Q-BIOMED计划使用单晶金刚石和纳米金刚石开发和商业化能够在癌症和阿尔茨海默病等疾病发展的早期阶段进行诊断和治疗的传感器。“这些医疗保健雄心不仅限于学术界，全球各地的初创公司都在开发基于金刚石的量子技术，”Element Six的Markham说。
与前几阶段的枢纽一样，进一步的研究鼓励了初创公司的发展——例如，QuSIT枢纽的前身的研究人员创立了Cerca Magnetics。随着一些量子传感器的日益成熟，无疑将吸引现有的医疗技术公司。未来五年将是量子传感器在医疗保健领域蓬勃发展的忙碌而激动人心的时期。
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