芯耀
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韓國基礎科學研究所(IBS)量子納米科學中心（QNS）和德國尤里希研究中心（Germany's Forschungszentrum Jülich）的國際研究團隊開發(fā)出世界上首個原子級量子傳感器，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》上。這一成果標志著量子技術領域的一個重要里程碑，有望對多個科學領域產生深遠影響。
原子直徑比人類發(fā)絲還要細100萬倍，要觀察和精確測量原子產生的電場、磁場等物理量極為困難。為了從單個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。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到原子尺度卻是個極大挑戰(zhàn)。
此次的原子級量子傳感器成功之處在于，它僅使用了單個分子。這是一種概念上不同的傳感方式，因為大多數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才會顯現其特性，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大的距離，從而限制了在單個原子尺度上進行觀測的能力。
研究團隊改變了方法，開發(fā)出一種使用單個分子來探測原子的電磁特性的工具。該分子附著在掃描隧道顯微鏡的尖端，可以將其帶到距離實際物體僅幾個原子的位置。
這項開創(chuàng)性工具類似核磁共振成像（MRI）的量子材料設備，為量子傳感器中的空間分辨率設立了新標準，將使科學家能夠在最基本的層面上探索和理解物質。
該傳感器空間分辨率高達0.1埃，而1埃通常對應于一個原子直徑，有望為量子材料和設備工程、新型催化劑設計以及分子系統（如生物化學）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備、設計新的催化劑以及探索分子系統的基本量子行為（例如生物化學）開辟變革性途徑。正如QNS的PI BAE Yujeong所指出的那樣，“觀察和研究物質的工具的革命源于積累的基礎科學”。
美國物理學家、諾貝爾獎獲得者理查德·費曼（Richard FEYNMAN）所說，“底部有足夠的空間”，技術在原子層面上操縱的潛力是無限的。理查德·費曼同時是第一個納米技術概念提出者。Jülich研究小組負責人Temirov教授補充說：“很高興看到我們在分子操縱方面的長期工作如何導致構建了一個創(chuàng)紀錄的量子設備。
研究將一種分子附著在掃描隧道顯微鏡尖端，實現了前所未有的靈敏度和空間分辨率。
圖片來源：美國科學促進會網站
量子傳感爆發(fā)，8年內量子傳感器產業(yè)化落地？
量子通信有三大應用領域：量子計算、量子通信、量子精密測量，上面提到的“九章”號、“墨子”號等就是量子計算、量子通信的應用。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。量子傳感器是目前量子技術中最接近實用的技術。
量子傳感器是根據量子力學規(guī)律、利用量子疊加量子糾纏和量子壓縮等效應設計的、用于執(zhí)行對系統被測量進行變換的物理裝置。
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)進行測量便可以實現對外界環(huán)境的高靈敏度測量。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(wěn)定性和多功能性的優(yōu)勢。
簡而言之，應用量子技術，可以極大提高目前傳感器的靈敏度、準確率、穩(wěn)定性等指標，可實現比MEMS傳感器精確近1000倍的測量，讓傳感器“大躍進”。
多國將量子傳感器列為國家戰(zhàn)略
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，美國國家科學和技術委員會(NSTC)量子信息科學小組委員會(SCQIS)在2022年3月份發(fā)布了名為《將量子傳感器付諸實踐》的報告，通過擴展量子信息科學(QIS)國家戰(zhàn)略概述中的政策主題，領導相關研發(fā)機構加快開發(fā)新的量子傳感方法，并計劃在未來1-8年，根據報告的建議采取行動加速實現量子傳感器取得的關鍵發(fā)展，確立美國量子傳感器技術領先地位。
相關美國量子傳感器戰(zhàn)略內容，可參看《地球最強科技大國發(fā)布量子傳感器戰(zhàn)略，寫了4個字：國家利益！》。
2021年，歐洲核子研究中心（CERN）發(fā)布《量子技術戰(zhàn)略和路線圖》，探討量子技術如何在量子計算、量子傳感器等領域發(fā)揮作用。
▲《量子技術戰(zhàn)略和路線圖》主要發(fā)展目標
中國持續(xù)跟蹤量子技術的前沿研究，在量子計算、量子通信方面已處于全球領先水平，量子傳感器技術同樣不落后。2022年，國務院發(fā)布《計量發(fā)展規(guī)劃(2021—2035年)》，提出“重點開展量子精密測量和傳感器件制備集成技術、量子傳感測量技術研究”，多次提到量子傳感技術的研究重要性。
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，可實現比MEMS傳感器精確近1000倍的測量，讓傳感器“大躍進”。多家傳感器巨頭企業(yè)已經開始部署量子傳感器研究。
據媒體報道，今年3月份博世發(fā)布了首個“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，目前大多數基于現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。這些設備的輸出會隨著時間的推移而產生漂移，因此一定時間后必須通過絕對設備進行校準。而量子重力儀無需校準，即可實現長久、精確的測量。
雖然多國已將量子傳感器列入國家科學戰(zhàn)略，不少企業(yè)已開始量子傳感器商業(yè)化應用的嘗試，但目前仍停留在初始階段。根據美國科學委員會的計劃，最快8年內將有希望實現量子傳感器產業(yè)化。
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