清華登《自然》！量子測(cè)量靈敏度提升 2.7 倍，攻克熱化效應(yīng)百年瓶頸

記者 華 凌

　　量子精密測(cè)量是量子科技賽道中距離產(chǎn)業(yè)化、實(shí)用化最近的領(lǐng)域之一。憑借超高的探測(cè)靈敏度，量子精密測(cè)量在資源勘探、醫(yī)療診斷等場(chǎng)景中擁有廣闊應(yīng)用空間。然而，長久以來，量子多體系統(tǒng)中由粒子間相互作用引發(fā)的熱化效應(yīng)，如同無形壁壘，持續(xù)制約著量子傳感的測(cè)量精度、信號(hào)穩(wěn)定性，也成為阻礙其走出實(shí)驗(yàn)室、實(shí)現(xiàn)規(guī)模化落地應(yīng)用的核心瓶頸。

金剛石自旋系綜動(dòng)力學(xué)凍結(jié)示意圖。受訪者供圖

　　中國科學(xué)院院士、清華大學(xué)基礎(chǔ)科學(xué)講席教授段路明，清華大學(xué)交叉信息研究院長聘副教授鄧東靈、助理教授侯攀宇組成的科研團(tuán)隊(duì)取得突破。他們首次在大規(guī)模固態(tài)自旋體系中觀測(cè)到多體動(dòng)力學(xué)凍結(jié)現(xiàn)象，其有效抑制了熱化效應(yīng)，為提升量子傳感穩(wěn)定性和靈敏度提供新路徑，有利于推動(dòng)量子傳感技術(shù)進(jìn)一步走向?qū)嵱没Ｏ嚓P(guān)成果日前在線發(fā)表于國際學(xué)術(shù)期刊《自然》。

　　熱化效應(yīng)縮小測(cè)量窗口

　　什么是熱化效應(yīng)？鄧東靈解釋：“量子多體系統(tǒng)由大量微觀粒子組成，每個(gè)粒子都帶有自旋屬性，就好像自帶無數(shù)枚微型磁針。正常狀態(tài)下，粒子保持有序排列，能夠精準(zhǔn)記錄探測(cè)信號(hào)，但粒子之間會(huì)持續(xù)發(fā)生相互作用，隨著時(shí)間推移，系統(tǒng)原本有序的狀態(tài)會(huì)逐漸消失、趨于無序均衡，這一過程就是熱化效應(yīng)。”

　　“熱化最直接的危害，就是損毀量子系統(tǒng)記錄的測(cè)量信息。”侯攀宇說，這就如同墨水滴入清水后最終完全擴(kuò)散均勻，初始信息徹底丟失。在周期性驅(qū)動(dòng)的量子傳感系統(tǒng)中，熱化問題會(huì)被進(jìn)一步放大。外部設(shè)備持續(xù)驅(qū)動(dòng)工作時(shí)，會(huì)不斷向量子系統(tǒng)注入能量，系統(tǒng)很快變成無特征的高溫狀態(tài)，原本可捕捉的微弱探測(cè)信號(hào)會(huì)徹底被抹平。

　　相干時(shí)長是量子精密測(cè)量的核心指標(biāo)，代表系統(tǒng)保持有序、有效工作的時(shí)長。傳統(tǒng)量子傳感系統(tǒng)的相干時(shí)間受熱化效應(yīng)限制，有效測(cè)量窗口被大幅壓縮。熱化效應(yīng)帶來的性能局限讓量子傳感精度難以提升，極大限制了超導(dǎo)材料檢測(cè)、活體細(xì)胞觀測(cè)等前沿場(chǎng)景的應(yīng)用落地。

　　那么，如何抑制熱化效應(yīng)呢？科學(xué)界提出了多體動(dòng)力學(xué)凍結(jié)現(xiàn)象，它是指通過對(duì)復(fù)雜量子系統(tǒng)施加精準(zhǔn)的周期性驅(qū)動(dòng)，不但不會(huì)加速其混亂，反而能讓它進(jìn)入一種有序信息被“保護(hù)”起來的特殊“凍結(jié)”狀態(tài)。

　　團(tuán)隊(duì)成員、清華大學(xué)博士袁冬介紹，受限于真實(shí)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的復(fù)雜性和諸多干擾因素，這一物理現(xiàn)象始終未能在大規(guī)模真實(shí)體系中實(shí)現(xiàn)觀測(cè)，成為困擾全球量子傳感領(lǐng)域多年的科研難題。

　　實(shí)現(xiàn)動(dòng)力學(xué)凍結(jié)狀態(tài)

　　研究團(tuán)隊(duì)的核心突破，在于攻克了真實(shí)體系下的實(shí)驗(yàn)難題，首次在大規(guī)模固態(tài)自旋體系中捕捉到多體動(dòng)力學(xué)凍結(jié)現(xiàn)象，并探明了其核心作用機(jī)制。

　　談及實(shí)驗(yàn)攻關(guān)思路，團(tuán)隊(duì)成員、清華大學(xué)交叉信息研究院博士后盧亞男詳細(xì)還原了實(shí)驗(yàn)全過程。區(qū)別于小規(guī)模理論實(shí)驗(yàn)，此次研究立足實(shí)用化場(chǎng)景，選取金剛石內(nèi)近萬個(gè)氮—空位色心電子自旋搭建大規(guī)模實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。“氮—空位色心具備優(yōu)良的光學(xué)性能和自旋特性，是量子傳感領(lǐng)域的重要實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。該實(shí)驗(yàn)體系高度貼合真實(shí)量子傳感的工作場(chǎng)景，成果具備極強(qiáng)的落地參考價(jià)值。”盧亞男說。

　　此次實(shí)驗(yàn)最大的難點(diǎn)在于大規(guī)模真實(shí)體系可控化。小規(guī)模模型實(shí)驗(yàn)容易規(guī)避干擾，但由近萬個(gè)粒子組成的固態(tài)自旋體系，相互作用復(fù)雜、干擾變量極多。

　　依托金剛石材料化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、能夠適配極端環(huán)境的天然優(yōu)勢(shì)，團(tuán)隊(duì)通過標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)手段完成了系統(tǒng)操控：利用激光實(shí)現(xiàn)自旋系統(tǒng)的初始化與信號(hào)讀出，借助精準(zhǔn)調(diào)控的微波場(chǎng)對(duì)整個(gè)體系實(shí)施全局周期驅(qū)動(dòng)，讓海量相互作用的自旋粒子處于可控的實(shí)驗(yàn)狀態(tài)中。

　　經(jīng)過反復(fù)參數(shù)調(diào)試，團(tuán)隊(duì)成功讓自旋系綜進(jìn)入了穩(wěn)定的動(dòng)力學(xué)凍結(jié)狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)真實(shí)印證了這一全新物理現(xiàn)象：在特定參數(shù)條件下，系統(tǒng)磁化量可穩(wěn)定維持約200個(gè)驅(qū)動(dòng)周期，系統(tǒng)相干時(shí)長相比傳統(tǒng)技術(shù)提升了一個(gè)數(shù)量級(jí)。反之，一旦驅(qū)動(dòng)參數(shù)偏離凍結(jié)標(biāo)準(zhǔn)，系統(tǒng)會(huì)立刻快速熱化、丟失有序信號(hào)。

　　通過多組對(duì)照實(shí)驗(yàn)，團(tuán)隊(duì)最終明確了這一突破的核心原理：周期驅(qū)動(dòng)誘導(dǎo)產(chǎn)生的涌現(xiàn)守恒量，是抑制量子系統(tǒng)熱化的關(guān)鍵機(jī)制。

　　涌現(xiàn)守恒量可以通俗地理解為一個(gè)系統(tǒng)在特定外部周期驅(qū)動(dòng)條件下，產(chǎn)生的一個(gè)近似守恒的物理量。這也是學(xué)界首次通過實(shí)驗(yàn)證實(shí)，涌現(xiàn)守恒量可以保護(hù)大規(guī)模自旋體系的有序量子狀態(tài)，讓系統(tǒng)能夠遠(yuǎn)超常規(guī)相干時(shí)間，持續(xù)保持穩(wěn)定的探測(cè)響應(yīng)能力。

　　實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，相較于傳統(tǒng)技術(shù)方案，新研發(fā)的動(dòng)力學(xué)凍結(jié)傳感方案，使磁場(chǎng)測(cè)量靈敏度提升了約2.7倍，對(duì)微弱磁信號(hào)的探測(cè)能力得到大幅強(qiáng)化，可捕捉以往設(shè)備無法識(shí)別的微弱信號(hào)。

　　擁有廣闊交叉應(yīng)用前景

　　新研究不僅是基礎(chǔ)物理領(lǐng)域的重要發(fā)現(xiàn)，更實(shí)現(xiàn)了技術(shù)落地突破，將動(dòng)力學(xué)凍結(jié)機(jī)制成功應(yīng)用于磁場(chǎng)測(cè)量，讓量子傳感性能實(shí)現(xiàn)了質(zhì)的飛躍，為行業(yè)發(fā)展開辟了新路徑。

　　“這套方案僅需對(duì)自旋體系進(jìn)行全局統(tǒng)一調(diào)控，無需單獨(dú)操控每一個(gè)粒子，操作流程簡單、可控性強(qiáng)，擺脫了傳統(tǒng)高精度量子設(shè)備操作復(fù)雜、難以推廣的短板。”侯攀宇說。

　　依托金剛石自旋體系耐高溫、耐高壓、適配極端復(fù)雜環(huán)境的特性，這項(xiàng)全新量子傳感技術(shù)擁有廣闊應(yīng)用場(chǎng)景，可廣泛覆蓋多個(gè)前沿交叉領(lǐng)域。

　　在凝聚態(tài)物理與材料領(lǐng)域，該技術(shù)可用于超導(dǎo)材料、鐵磁材料的高精度磁性檢測(cè)，助力新型功能材料研發(fā)，為高端量子材料、超導(dǎo)器件的科研攻關(guān)提供精準(zhǔn)探測(cè)工具。

　　在化學(xué)與生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，憑借超高的探測(cè)精度與穩(wěn)定性能，該技術(shù)可實(shí)現(xiàn)活體細(xì)胞內(nèi)部微觀參數(shù)觀測(cè)，精準(zhǔn)探測(cè)細(xì)胞內(nèi)磁場(chǎng)、溫度等物理量的變化，為細(xì)胞機(jī)理研究、生物醫(yī)藥前沿探索提供技術(shù)支撐。