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【前沿報道】PNAS:利用量子傳感器探測從地殼到人腦的未知領域
2020-01-07 | 作者: | 【 】【打印】【關閉

  前沿探索永無止境,對于大到宏觀宇宙小到微觀原子的未知領域,人類探索的腳步從未停止。19 世紀末,正當英國著名物理學家威廉·湯姆生宣告物理學大廈已然全部建成,所剩只是一些修飾工作之時,量子物理學悄然誕生,并在不同學派的爭論聲中不斷發展完善。盡管時至今日其理論體系仍不完備,但隨著研究的不斷深入,井噴式發展的實用化量子產品,正讓人們生活發生著翻天覆地的變化。其中,量子傳感器就是一種依據量子力學規律,利用量子效應、量子相干或量子糾纏性質,實現高精度測量的新興物理裝置。量子化無處不在,大到行星,小到細胞,甚至是人類的意識都是可以量子化的,而且量子態具有獨特的精度。因此,量子傳感器為檢測物理場的微小變化開辟了新途徑,足以讓我們更清楚地看清腳下的世界,或更深入地洞察人體自身(Battersby,2019。 

1  量子銫光泵磁力儀(Battersby, 2019

  與經典傳感器一樣,量子傳感器由轉換信號的敏感元件和處理信號的讀出設備兩部分組成。不同的是,量子系統狀態即量子態的直接測量一般不易實現,需要通過量子控制將被測量按一定的規律轉變為便于測量的物理量,進而實現量子態的間接測量。因此,量子控制在量子傳感技術領域擁有毋庸置疑的核心地位。如何通過量子控制完成被測量的轉換?如何控制量子系統在實驗室外不受控制的復雜環境中工作?能否實現量子控制組件的小型化和實用化?針對以上問題,發表在PNAS雜志上的文章(Battersby,2019)給出了答案。 

  英國以伯明翰大學為中心,聯合學術界和工業界的相關研究人員,共同成立了量子傳感器和計量中心。負責該中心的KaiBongs 指出“早期的量子控制系統比較笨重,但量子控制系統正向著小型化、低成本和實用化的方向不斷發展”,而且他認為:“目前我們正處在充分控制量子系統的最佳節點”。隨著量子控制手段的發展,激光、冷卻和磁場等用于執行量子控制的相關組件不斷進步。例如,研究人員正在開發緊湊型低功率激光器,用于保存冷原子的大型真空系統與磁阱已被芯片級器件所取代。因此,研究人員得以更方便地操縱量子態,并觀測它們受環境影響的情況,進而進一步促進量子傳感器的實用化。其中,用于測量磁場和重力場的量子傳感技術得到了長足發展。 

  1)量子磁場傳感器 

  主流量子磁傳感器包括超導量子干涉磁力儀(SQUID),氮空位(NV)金剛石原子磁力計,冷原子磁力計和光泵磁力儀等。如表1所示,此類磁傳感器按工作機理可劃分為量子效應類(I類)、量子相干類(II類)和量子糾纏類(III類)。 

1 主流量子磁力儀分類

  SQUID磁傳感器基于磁通量子化和約瑟夫森效應實現磁場測量,屬于I 類量子磁傳感器,具有高達地磁場50 億分之一的極強磁場檢測能力。德國Yena 研究中心和中國科學院上海微系統與應用技術研究所經過多年研發和技術攻關,先后研制出低溫和高溫超導量子干涉儀并成功應用于地學探測領域。 

  氮空位金剛石磁力計的實現來自于固態量子計算領域中的單電子自旋比特的相干操控概念,屬于II 類量子磁傳感器。該磁力計可采用納米晶體作為感應探頭,即與被測樣品間距可達納米量級。因此,該磁力計具有較高的空間分辨率,可分辨出少量甚至單個電子自旋以及核自旋產生的微弱磁場,有望實現單分子探測。 

  冷原子磁力計基于原子自旋實現磁場測量,屬于III 類量子磁傳感器。該磁力儀能夠突破散粒噪聲限制,能夠提升磁測精度并增大磁測帶寬。 

  光泵磁力儀(OPM)的工作原理是塞曼效應,也屬于III 類量子磁傳感器,被廣泛應用于航空磁測、海洋監測、地質勘探(礦產資源開發、考古)、地震預報等領域。此外,OPM 還可以應用于人體生物學檢測。2018 年,英國諾丁漢大學嘗試將13 個OPM 放入一個3D 打印的頭盔中,研發了MEG 掃描儀樣機。掃描儀顯示當受試者伸出手指時,大腦運動皮層中存在明顯的活動,揭示了大腦運動區在毫秒時間尺度上產生毫米位置變化的全過程。傳統的低分辨率腦電圖(EEG)或核磁成像(MRI)只能觀測秒級或更長時間尺度上的大腦活動,因此無法匹敵這種新型組合式量子掃描儀。英國倫敦大學的研究人員計劃使用該掃描儀取代腦電圖來研究兒童癲癇病。在哥本哈根,Polzik 領導的研究團隊最新研發了一款低噪聲、高靈敏度量子磁力儀,將磁力儀推向了下一個量子水平。諾丁漢大學的Kasper Jensen 計劃通過量子磁力儀(Jensenet al.,2018)觀測心跳調節電信號所產生的磁場來監測胎兒心跳。 

  2)量子重力傳感器 

  真空環境中利用激光和磁場捕獲、控制冷銣原子的量子態,并測量不同能級位置處的原子比率,即可測得重力場的強度,通過兩組處于不同能級的獨立原子云分別進行測量即可獲取重力梯度。據此,伯明翰大學率先開發了名為Wee_G 的量子重力儀樣機,并于2018 年成功實現了量子重力梯度儀樣機Gravity-Imager 的測試。2019 年團隊進一步將Wee_G 的重力場測量精度提升至10-9mGa 數量級。該量子重力儀可用于探測水下管道,且探測深度有望突破現有技術的數倍以上。目前研究團隊正在研發搭載在無人機上的適用于空中測量的小型化重力梯度儀。

 

2  量子重力儀:左圖為AQG-A01系統實物圖,右圖為傳感器測量原理圖(Ménoret et al., 2018)

  在國內,華中科技大學研究團隊通過定制先進懸架設計的光學位移傳感器, 研發了新型量子重力MEMS芯片(Tang et al.,2019),該芯片的靈敏度高達8μGal/√Hz、動態范圍高達8000 mGal??芍?,量子重力/重力梯度儀具有高靈敏度和高實時性的優勢,有望擊敗現有傳統方法,用于考古遺址掃描、礦產資源探測、火山活動監測、二氧化碳地下安全儲存層探尋以及含水層調查等領域。  

  與傳統傳感器相比,量子傳感器具有非破壞性、實時性、高靈敏性、穩定性和多功能性等優勢。未來,隨著量子理論及其控制技術的不斷發展,量子傳感器有望在建設工程、礦產資源、自然災害探測、引力場測量以及醫療健康等領域取得突出應用,具有廣闊的發展空間和應用前景。 

  主要參考文獻 

  Battersby S. Quantum sensors probe uncharted territories, from Earth’s crust to the human brain[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2019,116(34): 16663–16665.鏈接 

  Jensen K, Skarsfeldt M A, Stsrkind H, et al. Magnetocardiography on an isolated animal heart with a room-temperature optically pumped magnetometer[J]. Scientific Reports, 2018, 8(1): 16218.鏈接 

  Ménoret V, Vermeulen P, Le Moigne N, et al. Gravity measurements below 10-9 g with a transportable absolute quantum gravimeter[J]. Scientific Reports, 2018, 8(1): 12300.鏈接 

  Tang S, Liu H, Yan S, et al. A high-sensitivity MEMS gravimeter with a large dynamic range[J]. Microsystems & Nanoengineering, 2019, 5: 45.鏈接 

 

  (撰稿:王中興,康利利/研發中心)

 
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