近日，全球首臺(tái)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(cè)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(guó)企業(yè)自主研制，標(biāo)志著我國(guó)量子精密測(cè)量技術(shù)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展取得了新的突破。
量子精密測(cè)量，是指利用能級(jí)躍遷、相干疊加、糾纏等量子特性，在測(cè)量精度、靈敏度、分辨率等方面實(shí)現(xiàn)大幅躍升。舉個(gè)例子，我們可以用體溫計(jì)測(cè)量人的體溫，但無(wú)法用體溫計(jì)測(cè)量蚊子的體溫，因?yàn)轶w溫計(jì)的端頭比蚊子還要大，一個(gè)大的傳感器是難以測(cè)量一個(gè)小的物體的。若要測(cè)量比蚊子還要小得多的物體，比如單個(gè)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(lái)，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(cè)單元只有原子尺度大小，可以說(shuō)是人類所能研制的最小傳感器之一。鉆石看似完美無(wú)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(gè)碳原子被一個(gè)氮原子和一個(gè)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(jiǎn)單地看作一個(gè)極其微小的磁針。通過(guò)光探測(cè)磁共振技術(shù)，研究人員不僅能夠觀測(cè)到NV色心，還能用它測(cè)量周邊磁場(chǎng)，并利用光和微波讀出具體的磁場(chǎng)大小。經(jīng)過(guò)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)模化生產(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(cè)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(cè)量?jī)x器，可在寬溫區(qū)下實(shí)現(xiàn)高分辨、高靈敏度、定量無(wú)損的磁學(xué)成像，具有納米級(jí)的高空間分辨率以及單個(gè)自旋的超高探測(cè)靈敏度。
除了金剛石NV色心，量子精密測(cè)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(lái)探測(cè)磁場(chǎng)的技術(shù)，可以進(jìn)行冠心病與心率異常檢測(cè)；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(gè)技術(shù)路線，依據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景各顯神通。
量子傳感器被譽(yù)為“打開(kāi)微觀世界的一把鑰匙”。它不僅小，靈敏度也非常高，可以測(cè)到過(guò)去很多探不到、測(cè)不準(zhǔn)的信號(hào)，如腦磁、心磁信號(hào)等，可用于神經(jīng)性疾病、冠心病等疾病早期診斷。同時(shí)，量子精密測(cè)量還帶來(lái)一些檢測(cè)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(cè)，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(cè)量視為量子信息技術(shù)領(lǐng)域又一個(gè)“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(lái)，全球孵化出多家量子測(cè)量領(lǐng)域初創(chuàng)公司，挖掘各類應(yīng)用場(chǎng)景，推動(dòng)量子商業(yè)化進(jìn)展。
通俗地講，量子精密測(cè)量就是變“不可見(jiàn)”為“可見(jiàn)”。如果把我們認(rèn)識(shí)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(lái)量子精密測(cè)量可以觀察到的。量子精密測(cè)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(jiàn)的是全球技術(shù)發(fā)展不可限量的未來(lái)。
本文轉(zhuǎn)載自《 人民日?qǐng)?bào) 》（2024年07月16日第17版）
（作者賀羽 為安徽省量子精密測(cè)量制造業(yè)創(chuàng)新中心主任）
