贺 羽

《 人民日报 》( 2024年07月16日   第 17 版)

近日,全球首台商用低温版扫描氮—空位探针显微镜在安徽合肥发布,该仪器主要用于检测纳米材料的表面磁性,将为材料科学、凝聚态物理、生命科学等领域研究提供一种全新的工具。该仪器由中国企业自主研制,标志着我国量子精密测量技术产业化发展取得了新的突破。

量子精密测量,是指利用能级跃迁、相干叠加、纠缠等量子特性,在测量精度、灵敏度、分辨率等方面实现大幅跃升。举个例子,我们可以用体温计测量人的体温,但无法用体温计测量蚊子的体温,因为体温计的端头比蚊子还要大,一个大的传感器是难以测量一个小的物体的。若要测量比蚊子还要小得多的物体,比如单个DNA分子、药物蛋白分子等,我们就需要比分子和细胞更小的传感器。

近年来,科学家发现了一种基于“钻石缺陷”的量子传感器,这种传感器的感测单元只有原子尺度大小,可以说是人类所能研制的最小传感器之一。钻石看似完美无瑕,实则有很多“缺陷”,但也正是这些“缺陷”,让钻石显现出某些可被利用的特性。比如,当钻石中相邻的两个碳原子被一个氮原子和一个空位替换后,形成的结构就表现出一种非常好的光学特性和量子相干性,科学家将它命名为金刚石氮—空位(NV)色心。

NV色心是一种优异的量子传感器,可以将其简单地看作一个极其微小的磁针。通过光探测磁共振技术,研究人员不仅能够观测到NV色心,还能用它测量周边磁场,并利用光和微波读出具体的磁场大小。经过氮离子注入、退火等几十道精细的微纳加工步骤,研究人员能够人工制备出金刚石NV色心,并能将其规模化生产成可以用于扫描成像的扫描NV探针。

此次研究人员研制的商用低温版扫描NV探针显微镜,就是一款结合了NV色心光探测磁共振技术、原子力显微镜扫描成像技术的量子精密测量仪器,可在宽温区下实现高分辨、高灵敏度、定量无损的磁学成像,具有纳米级的高空间分辨率以及单个自旋的超高探测灵敏度。

除了金刚石NV色心,量子精密测量还有很多技术路线,包括原子磁力计、原子钟等。原子磁力计是用光与原子的相互作用来探测磁场的技术,可以进行冠心病与心率异常检测;光晶格钟作为新一代原子钟,目前能达到百亿年误差仅有1秒。各个技术路线,依据应用场景各显神通。

量子传感器被誉为“打开微观世界的一把钥匙”。它不仅小,灵敏度也非常高,可以测到过去很多探不到、测不准的信号,如脑磁、心磁信号等,可用于神经性疾病、冠心病等疾病早期诊断。同时,量子精密测量还带来一些检测手段的革新,例如在新能源领域进行锂电池内的漏电流检测,在能源勘探领域可用于电网管理,在半导体/集成电路领域可用于芯片电流成像等。

业界将量子精密测量视为量子信息技术领域又一个“产业化条件成熟”的方向,技术创新也日趋活跃。近年来,全球孵化出多家量子测量领域初创公司,挖掘各类应用场景,推动量子商业化进展。

通俗地讲,量子精密测量就是变“不可见”为“可见”。如果把我们认识的世界比作冰山,那么水面之上的是现在的传感器能够看到的,仅仅是冰山一角,水面之下则是未来量子精密测量可以观察到的。量子精密测量将成为我们挖掘宝贵信息“冰山”的强力工具,不断拓展人类的认知边界。显微之中,预见的是全球技术发展不可限量的未来。

(作者为安徽省量子精密测量制造业创新中心主任)