爲電腦帶來革新的「量子技術」也即將應用到測量溫度、磁場等物理量的感測器上。感測器應用量子技術的優勢在於可以實施數規模別的高精度。從提高電動車（EV）的性能到闡明疾病機制，其用途十分廣泛，東京工業大學和量子科學技術研發機構（量研機構）等走在研究的前列。到2050年，也許會實施精度能夠達到測量人體每一個細胞的感測器。
東工大開發的金剛石制量子感測器㊧及使用該感測器測量電流的狀態㊨（東工大提供）
作爲使用了量子技術實施「量子感測器」的材料金剛石格外引人注目。將其晶體中部分碳原子用雜質氮原子取代，那個位置就叫NV中心，可以起到極小的感測器的作用。
將綠色雷射照射到NV中心，會發出紅色的螢光，螢光的強度根據溫度和磁場等的變化而變化，這是因爲NV中心在磁場等的作用下會改變電子的狀態。利用這個現象，可以透過測量螢光的強度，便可在極高的精度下檢測出溫度、磁場等的變化。
東工大的波多野睦子教授等與矢崎總業組成的研究團隊，已將量子感測器應用於高精度電流傳感器。在測量最大1000A左右的電流的同時，將測定誤差等比縮小到了大約10mA。這是傳統電流傳感器約100倍的精度。
研究團隊看好的一個用途是用來測量電動車（EV）上的電池充放電時的電流。電動車的電池爲了防止過度充放電，容量上設置有餘量。充電率存在約10%的估算誤差，透過量子感測器可以將這個誤差降低到1%以下，就可以減量過多的餘量。這樣，使用相同容量的電池，行駛距離可以延長10%左右。
這種量子感測器對外部的噪音也有很強的抵抗力。「我們實驗室離首都圈兩條主要鐵路綫相交的地方非常近，但這些噪音對測量結果幾乎沒有影響」（波多野教授）。
量研機構則在推進量子感測器在醫療領域的應用。傳統研究方式，是給蛋白質等添加螢光分子，從而觀察各種生命現象。如果用量子感測器來代替，還能測出細胞内的溫度等，更有助於闡明疾病的機制。
以量研機構爲中心的研究團隊開發出了只有5nm（1nm爲10億分之1m）大小的量子感測器，開啟了通往「細胞内感測器」的道路，還可以測量液體氫離子指數（pH）。
首先瞄準應用的是再生醫療。培養患者的細胞製作組織時， pH值和溫度是決定培養效率的關鍵。如果採用量子感測器，之前難以測量的局部pH值和溫度的變化都可以捕捉到。
2022年5月，量研機構與岡山大學等共同發表了將量子感測器所需電路整合在玻璃基底層上的技術。這是在再現臟器功能的生物晶片中利用量子感測器的一項基礎技術。
量研機構量子生命·醫學部門量子生命科學研究所的湯川博專案總監表示：「未來也許能實施監測身體每個細胞的技術， 實施‘沒有疾病的世界’」。
日本具有材料開發優勢
使用金剛石的量子感測器的研究始於1980年代的德國和英國。現在除了德國以外，美國、日本、中國也在致力於有關研究。自從美國哈佛大學造出奈米級晶體以來，產業應用方面的動向也變得活躍起來。
日本和澳大利亞在細胞測量等生命科學和醫療領域方面處於領先地位。在德國，大學和半導體公司已經建立起了將其應用於電動車的專案。
對日本來說，量子感測器領域屬於提高國際競爭力的下一代產業，非常值得期待。在製作感測器的金剛石材料方面，住友電氣工業等日本企業在合成技術上具有優勢。並且，在左右感測器性能的NV中心的研究與製造技術方面也是日本的強項。世界上研究量子感測器所使用的NV中心，似乎大多也都是由量研機構製造的。
據量研機構・新一代量子感測器研究團隊的五十嵐龍治先生說：「我們除了與感測器研發公司合作，還與材料研發公司合作。這是日本在研究量子感測器方面的優勢」。正因爲量子感測器是日本已經具齊了可以發揮優勢條件的技術，產業界及國家的推進就更重要。
日文：松元則雄、《日經產業新聞》、2022/9/30
中文：JST客觀日本編輯部
