量子精密測量：變“不可見”爲“可見”（科技大觀）

本文轉自：人民日報

賀 羽

《 人民日報 》（ 2024年07月16日 第 17 版）

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佈，該儀器主要用於檢測納米材料的表面磁性，將爲材料科學、凝聚態物理、生命科學等領域研究提供一種全新的工具。該儀器由中國企業自主研製，標誌着我國量子精密測量技術產業化發展取得了新的突破。

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、分辨率等方面實現大幅躍升。舉個例子，我們可以用體溫計測量人的體溫，但無法用體溫計測量蚊子的體溫，因爲體溫計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胞更小的傳感器。

近年來，科學家發現了一種基於“鑽石缺陷”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製的最小傳感器之一。鑽石看似完美無瑕，實則有很多“缺陷”，但也正是這些“缺陷”，讓鑽石顯現出某些可被利用的特性。比如，當鑽石中相鄰的兩個碳原子被一個氮原子和一個空位替換後，形成的結構就表現出一種非常好的光學特性和量子相干性，科學家將它命名爲金剛石氮—空位（NV）色心。

NV色心是一種優異的量子傳感器，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，研究人員不僅能夠觀測到NV色心，還能用它測量周邊磁場，並利用光和微波讀出具體的磁場大小。經過氮離子注入、退火等幾十道精細的微納加工步驟，研究人員能夠人工製備出金剛石NV色心，並能將其規模化生產成可以用於掃描成像的掃描NV探針。

此次研究人員研製的商用低溫版掃描NV探針顯微鏡，就是一款結合了NV色心光探測磁共振技術、原子力顯微鏡掃描成像技術的量子精密測量儀器，可在寬溫區下實現高分辨、高靈敏度、定量無損的磁學成像，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路線，包括原子磁力計、原子鐘等。原子磁力計是用光與原子的相互作用來探測磁場的技術，可以進行冠心病與心率異常檢測；光晶格鍾作爲新一代原子鐘，目前能達到百億年誤差僅有1秒。各個技術路線，依據應用場景各顯神通。

量子傳感器被譽爲“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、測不準的信號，如腦磁、心磁信號等，可用於神經性疾病、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，例如在新能源領域進行鋰電池內的漏電流檢測，在能源勘探領域可用於電網管理，在半導體/集成電路領域可用於芯片電流成像等。

業界將量子精密測量視爲量子信息技術領域又一個“產業化條件成熟”的方向，技術創新也日趨活躍。近年來，全球孵化出多家量子測量領域初創公司，挖掘各類應用場景，推動量子商業化進展。

通俗地講，量子精密測量就是變“不可見”爲“可見”。如果把我們認識的世界比作冰山，那麼水面之上的是現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。量子精密測量將成爲我們挖掘寶貴信息“冰山”的強力工具，不斷拓展人類的認知邊界。顯微之中，預見的是全球技術發展不可限量的未來。

（作者爲安徽省量子精密測量製造業創新中心主任）