重要里程碑！世界首款原子級量子傳感器問世！8年內(nèi)量子傳感器有望爆發(fā)？

韓國基礎(chǔ)科學(xué)研究所(IBS)量子納米科學(xué)中心（QNS）和德國尤里希研究中心（Germany's Forschungszentrum Jülich）的國際研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)出世界上首個(gè)原子級量子傳感器，能夠檢測原子尺度的微小磁場。

該論文《A quantum sensor for atomic-scale electric and magnetic fields》25日發(fā)表在《自然·納米技術(shù)》上。這一成果標(biāo)志著量子技術(shù)領(lǐng)域的一個(gè)重要里程碑，有望對多個(gè)科學(xué)領(lǐng)域產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。

原子直徑比人類發(fā)絲還要細(xì)100萬倍，要觀察和精確測量原子產(chǎn)生的電場、磁場等物理量極為困難。為了從單個(gè)原子中探測如此弱的場，觀察工具必須高度敏感，且尺寸需與原子相當(dāng)。雖然許多量子傳感器能夠探測電場和磁場，但要在空間分辨率上達(dá)到原子尺度卻是個(gè)極大挑戰(zhàn)。

此次的原子級量子傳感器成功之處在于，它僅使用了單個(gè)分子。這是一種概念上不同的傳感方式，因?yàn)榇蠖鄶?shù)其他傳感器的功能都依賴于晶格缺陷。這些缺陷只有在深深嵌入材料中時(shí)才會(huì)顯現(xiàn)其特性，因此這種能夠探測電場和磁場的缺陷通常與物體保持相當(dāng)大的距離，從而限制了在單個(gè)原子尺度上進(jìn)行觀測的能力。

這項(xiàng)開創(chuàng)性工具類似核磁共振成像（MRI）的量子材料設(shè)備，為量子傳感器中的空間分辨率設(shè)立了新標(biāo)準(zhǔn)，將使科學(xué)家能夠在最基本的層面上探索和理解物質(zhì)。

該傳感器空間分辨率高達(dá)0.1埃，而1埃通常對應(yīng)于一個(gè)原子直徑，有望為量子材料和設(shè)備工程、新型催化劑設(shè)計(jì)以及分子系統(tǒng)（如生物化學(xué)）基本量子行為的研究開辟新途徑。

這種突破性的量子傳感器有望為工程量子材料和設(shè)備、設(shè)計(jì)新的催化劑以及探索分子系統(tǒng)的基本量子行為（例如生物化學(xué)）開辟變革性途徑。正如QNS的PI BAE Yujeong所指出的那樣，“觀察和研究物質(zhì)的工具的革命源于積累的基礎(chǔ)科學(xué)”。

美國物理學(xué)家、諾貝爾獎(jiǎng)獲得者理查德·費(fèi)曼（Richard FEYNMAN）所說，“底部有足夠的空間”，技術(shù)在原子層面上操縱的潛力是無限的。理查德·費(fèi)曼同時(shí)是第一個(gè)納米技術(shù)概念提出者。Jülich研究小組負(fù)責(zé)人Temirov教授補(bǔ)充說：“很高興看到我們在分子操縱方面的長期工作如何導(dǎo)致構(gòu)建了一個(gè)創(chuàng)紀(jì)錄的量子設(shè)備。

圖片來源：美國科學(xué)促進(jìn)會(huì)網(wǎng)站

量子傳感爆發(fā)，8年內(nèi)量子傳感器產(chǎn)業(yè)化落地？

量子通信有三大應(yīng)用領(lǐng)域：量子計(jì)算、量子通信、量子精密測量，上面提到的“九章”號、“墨子”號等就是量子計(jì)算、量子通信的應(yīng)用。量子精密測量的主體，就是量子傳感器，相對前面兩者較為低調(diào)。量子傳感器是目前量子技術(shù)中最接近實(shí)用的技術(shù)。

在量子傳感中，電磁場、溫度、壓力等外界環(huán)境直接與電子、光子等體系發(fā)生相互作用并改變他們的量子狀態(tài)，通過對這些變化后的量子態(tài)進(jìn)行測量便可以實(shí)現(xiàn)對外界環(huán)境的高靈敏度測量。與傳統(tǒng)傳感器相比，量子傳感器具有非破壞性、實(shí)時(shí)性、高靈敏性、穩(wěn)定性和多功能性的優(yōu)勢。

簡而言之，應(yīng)用量子技術(shù)，可以極大提高目前傳感器的靈敏度、準(zhǔn)確率、穩(wěn)定性等指標(biāo)，可實(shí)現(xiàn)比MEMS傳感器精確近1000倍的測量，讓傳感器“大躍進(jìn)”。

目前，全球主要國家已將量子傳感器列為國家科技發(fā)展戰(zhàn)略。

基于美國國家利益，美國國家科學(xué)和技術(shù)委員會(huì)(NSTC)量子信息科學(xué)小組委員會(huì)(SCQIS)在2022年3月份發(fā)布了名為《將量子傳感器付諸實(shí)踐》的報(bào)告，通過擴(kuò)展量子信息科學(xué)(QIS)國家戰(zhàn)略概述中的政策主題，領(lǐng)導(dǎo)相關(guān)研發(fā)機(jī)構(gòu)加快開發(fā)新的量子傳感方法，并計(jì)劃在未來1-8年，根據(jù)報(bào)告的建議采取行動(dòng)加速實(shí)現(xiàn)量子傳感器取得的關(guān)鍵發(fā)展，確立美國量子傳感器技術(shù)領(lǐng)先地位。

相關(guān)美國量子傳感器戰(zhàn)略內(nèi)容，可參看《地球最強(qiáng)科技大國發(fā)布量子傳感器戰(zhàn)略，寫了4個(gè)字：國家利益！》。

中國持續(xù)跟蹤量子技術(shù)的前沿研究，在量子計(jì)算、量子通信方面已處于全球領(lǐng)先水平，量子傳感器技術(shù)同樣不落后。2022年，國務(wù)院發(fā)布《計(jì)量發(fā)展規(guī)劃(2021—2035年)》，提出“重點(diǎn)開展量子精密測量和傳感器件制備集成技術(shù)、量子傳感測量技術(shù)研究”，多次提到量子傳感技術(shù)的研究重要性。

部分量子傳感器商業(yè)化案例

量子傳感器憑借量子糾纏效應(yīng)，可實(shí)現(xiàn)比MEMS傳感器精確近1000倍的測量，讓傳感器“大躍進(jìn)”。多家傳感器巨頭企業(yè)已經(jīng)開始部署量子傳感器研究。

據(jù)媒體報(bào)道，今年3月份博世發(fā)布了首個(gè)“量子陀螺儀”，其作用與普通陀螺儀一樣，但卻利用量子原理制造，目前已可達(dá)普通陀螺儀100倍以上的精度。

法國 Muquans 公司于2019年推出首款量子重力儀，目前大多數(shù)基于現(xiàn)場的重力測量都使用相對重力儀，它可以監(jiān)測懸掛在彈簧上的物體位置的微小變化。這些設(shè)備的輸出會(huì)隨著時(shí)間的推移而產(chǎn)生漂移，因此一定時(shí)間后必須通過絕對設(shè)備進(jìn)行校準(zhǔn)。而量子重力儀無需校準(zhǔn)，即可實(shí)現(xiàn)長久、精確的測量。

雖然多國已將量子傳感器列入國家科學(xué)戰(zhàn)略，不少企業(yè)已開始量子傳感器商業(yè)化應(yīng)用的嘗試，但目前仍停留在初始階段。根據(jù)美國科學(xué)委員會(huì)的計(jì)劃，最快8年內(nèi)將有希望實(shí)現(xiàn)量子傳感器產(chǎn)業(yè)化。