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量子精密測量:變“不可見”為“可見”

發(fā)布時間:2024-7-17     來源:人民日報(bào)    編輯:衡盛楠    審核:張經(jīng)緯 王靜

本文轉(zhuǎn)載自《 人民日報(bào) 》(20240716日第17版)

http://paper.people.com.cn/rmrb/html/2024-07/16/nw.D110000renmrb_20240716_2-17.htm

  近日,全球首臺商用低溫版掃描氮空位探針顯微鏡在安徽合肥發(fā)布,該儀器主要用于檢測納米材料的表面磁性,將為材料科學(xué)、凝聚態(tài)物理、生命科學(xué)等領(lǐng)域研究提供一種全新的工具。該儀器由中國企業(yè)自主研制,標(biāo)志著我國量子精密測量技術(shù)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展取得了新的突破。

  量子精密測量,是指利用能級躍遷、相干疊加、糾纏等量子特性,在測量精度、靈敏度、分辨率等方面實(shí)現(xiàn)大幅躍升。舉個例子,我們可以用體溫計(jì)測量人的體溫,但無法用體溫計(jì)測量蚊子的體溫,因?yàn)轶w溫計(jì)的端頭比蚊子還要大,一個大的傳感器是難以測量一個小的物體的。若要測量比蚊子還要小得多的物體,比如單個DNA分子、藥物蛋白分子等,我們就需要比分子和細(xì)胞更小的傳感器。

  近年來,科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了一種基于鉆石缺陷的量子傳感器,這種傳感器的感測單元只有原子尺度大小,可以說是人類所能研制的最小傳感器之一。鉆石看似完美無瑕,實(shí)則有很多缺陷,但也正是這些缺陷,讓鉆石顯現(xiàn)出某些可被利用的特性。比如,當(dāng)鉆石中相鄰的兩個碳原子被一個氮原子和一個空位替換后,形成的結(jié)構(gòu)就表現(xiàn)出一種非常好的光學(xué)特性和量子相干性,科學(xué)家將它命名為金剛石氮空位(NV)色心。

  NV色心是一種優(yōu)異的量子傳感器,可以將其簡單地看作一個極其微小的磁針。通過光探測磁共振技術(shù),研究人員不僅能夠觀測到NV色心,還能用它測量周邊磁場,并利用光和微波讀出具體的磁場大小。經(jīng)過氮離子注入、退火等幾十道精細(xì)的微納加工步驟,研究人員能夠人工制備出金剛石NV色心,并能將其規(guī)?;a(chǎn)成可以用于掃描成像的掃描NV探針。

  此次研究人員研制的商用低溫版掃描NV探針顯微鏡,就是一款結(jié)合了NV色心光探測磁共振技術(shù)、原子力顯微鏡掃描成像技術(shù)的量子精密測量儀器,可在寬溫區(qū)下實(shí)現(xiàn)高分辨、高靈敏度、定量無損的磁學(xué)成像,具有納米級的高空間分辨率以及單個自旋的超高探測靈敏度。

  除了金剛石NV色心,量子精密測量還有很多技術(shù)路線,包括原子磁力計(jì)、原子鐘等。原子磁力計(jì)是用光與原子的相互作用來探測磁場的技術(shù),可以進(jìn)行冠心病與心率異常檢測;光晶格鐘作為新一代原子鐘,目前能達(dá)到百億年誤差僅有1秒。各個技術(shù)路線,依據(jù)應(yīng)用場景各顯神通。

  量子傳感器被譽(yù)為打開微觀世界的一把鑰匙。它不僅小,靈敏度也非常高,可以測到過去很多探不到、測不準(zhǔn)的信號,如腦磁、心磁信號等,可用于神經(jīng)性疾病、冠心病等疾病早期診斷。同時,量子精密測量還帶來一些檢測手段的革新,例如在新能源領(lǐng)域進(jìn)行鋰電池內(nèi)的漏電流檢測,在能源勘探領(lǐng)域可用于電網(wǎng)管理,在半導(dǎo)體/集成電路領(lǐng)域可用于芯片電流成像等。

  業(yè)界將量子精密測量視為量子信息技術(shù)領(lǐng)域又一個產(chǎn)業(yè)化條件成熟的方向,技術(shù)創(chuàng)新也日趨活躍。近年來,全球孵化出多家量子測量領(lǐng)域初創(chuàng)公司,挖掘各類應(yīng)用場景,推動量子商業(yè)化進(jìn)展。

  通俗地講,量子精密測量就是變不可見可見。如果把我們認(rèn)識的世界比作冰山,那么水面之上的是現(xiàn)在的傳感器能夠看到的,僅僅是冰山一角,水面之下則是未來量子精密測量可以觀察到的。量子精密測量將成為我們挖掘?qū)氋F信息冰山的強(qiáng)力工具,不斷拓展人類的認(rèn)知邊界。顯微之中,預(yù)見的是全球技術(shù)發(fā)展不可限量的未來。

  (作者賀羽 為安徽省量子精密測量制造業(yè)創(chuàng)新中心主任)

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