量子精密测量：变“不可见”为“可见”（科技大观）

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 贺 羽）
《 人民日报 》（ 2024年07月16日   第 17 版）