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【前沿报道】PNAS:利用量子传感器探测从地壳到人脑的未知领域
2020-01-07 | 作者: | 【 】【打印】【关闭

  前沿探索永无止境,对于大到宏观宇宙小到微观原子的未知领域,人类探索的脚步从未停止。19 世纪末,正当英国著名物理学家威廉·汤姆生宣告物理学大厦已然全部建成,所剩只是一些修饰工作之时,量子物理学悄然诞生,并在不同学派的争论声中不断发展完善。尽管时至今日其理论体系仍不完备,但随着研究的不断深入,井喷式发展的实用化量子产品,正让人们生活发生着翻天覆地的变化。其中,量子传感器就是一种依据量子力学规律,利用量子效应、量子相干或量子纠缠性质,实现高精度测量的新兴物理装置。量子化无处不在,大到行星,小到细胞,甚至是人类的意识都是可以量子化的,而且量子态具有独特的精度。因此,量子传感器为检测物理场的微小变化开辟了新途径,足以让我们更清楚地看清脚下的世界,或更深入地洞察人体自身(Battersby2019 

1  量子铯光泵磁力仪(Battersby, 2019

  与经典传感器一样,量子传感器由转换信号的敏感元件和处理信号的读出设备两部分组成。不同的是,量子系统状态即量子态的直接测量一般不易实现,需要通过量子控制将被测量按一定的规律转变为便于测量的物理量,进而实现量子态的间接测量。因此,量子控制在量子传感技术领域拥有毋庸置疑的核心地位。如何通过量子控制完成被测量的转换?如何控制量子系统在实验室外不受控制的复杂环境中工作?能否实现量子控制组件的小型化和实用化?针对以上问题,发表在PNAS杂志上的文章(Battersby,2019)给出了答案。 

  英国以伯明翰大学为中心,联合学术界和工业界的相关研究人员,共同成立了量子传感器和计量中心。负责该中心的KaiBongs 指出“早期的量子控制系统比较笨重,但量子控制系统正向着小型化、低成本和实用化的方向不断发展”,而且他认为:“目前我们正处在充分控制量子系统的最佳节点”。随着量子控制手段的发展,激光、冷却和磁场等用于执行量子控制的相关组件不断进步。例如,研究人员正在开发紧凑型低功率激光器,用于保存冷原子的大型真空系统与磁阱已被芯片级器件所取代。因此,研究人员得以更方便地操纵量子态,并观测它们受环境影响的情况,进而进一步促进量子传感器的实用化。其中,用于测量磁场和重力场的量子传感技术得到了长足发展。 

  1)量子磁场传感器 

  主流量子磁传感器包括超导量子干涉磁力仪(SQUID),氮空位(NV)金刚石原子磁力计,冷原子磁力计和光泵磁力仪等。如表1所示,此类磁传感器按工作机理可划分为量子效应类(I类)、量子相干类(II类)和量子纠缠类(III类)。 

1 主流量子磁力仪分类

  SQUID磁传感器基于磁通量子化和约瑟夫森效应实现磁场测量,属于I 类量子磁传感器,具有高达地磁场50 亿分之一的极强磁场检测能力。德国Yena 研究中心和中国科学院上海微系统与应用技术研究所经过多年研发和技术攻关,先后研制出低温和高温超导量子干涉仪并成功应用于地学探测领域。 

  氮空位金刚石磁力计的实现来自于固态量子计算领域中的单电子自旋比特的相干操控概念,属于II 类量子磁传感器。该磁力计可采用纳米晶体作为感应探头,即与被测样品间距可达纳米量级。因此,该磁力计具有较高的空间分辨率,可分辨出少量甚至单个电子自旋以及核自旋产生的微弱磁场,有望实现单分子探测。 

  冷原子磁力计基于原子自旋实现磁场测量,属于III 类量子磁传感器。该磁力仪能够突破散粒噪声限制,能够提升磁测精度并增大磁测带宽。 

  光泵磁力仪(OPM)的工作原理是塞曼效应,也属于III 类量子磁传感器,被广泛应用于航空磁测、海洋监测、地质勘探(矿产资源开发、考古)、地震预报等领域。此外,OPM 还可以应用于人体生物学检测。2018 年,英国诺丁汉大学尝试将13 个OPM 放入一个3D 打印的头盔中,研发了MEG 扫描仪样机。扫描仪显示当受试者伸出手指时,大脑运动皮层中存在明显的活动,揭示了大脑运动区在毫秒时间尺度上产生毫米位置变化的全过程。传统的低分辨率脑电图(EEG)或核磁成像(MRI)只能观测秒级或更长时间尺度上的大脑活动,因此无法匹敌这种新型组合式量子扫描仪。英国伦敦大学的研究人员计划使用该扫描仪取代脑电图来研究儿童癫痫病。在哥本哈根,Polzik 领导的研究团队最新研发了一款低噪声、高灵敏度量子磁力仪,将磁力仪推向了下一个量子水平。诺丁汉大学的Kasper Jensen 计划通过量子磁力仪(Jensenet al.,2018)观测心跳调节电信号所产生的磁场来监测胎儿心跳。 

  2)量子重力传感器 

  真空环境中利用激光和磁场捕获、控制冷铷原子的量子态,并测量不同能级位置处的原子比率,即可测得重力场的强度,通过两组处于不同能级的独立原子云分别进行测量即可获取重力梯度。据此,伯明翰大学率先开发了名为Wee_G 的量子重力仪样机,并于2018 年成功实现了量子重力梯度仪样机Gravity-Imager 的测试。2019 年团队进一步将Wee_G 的重力场测量精度提升至10-9mGa 数量级。该量子重力仪可用于探测水下管道,且探测深度有望突破现有技术的数倍以上。目前研究团队正在研发搭载在无人机上的适用于空中测量的小型化重力梯度仪。

 

2  量子重力仪:左图为AQG-A01系统实物图,右图为传感器测量原理图(Ménoret et al., 2018)

  在国内,华中科技大学研究团队通过定制先进悬架设计的光学位移传感器, 研发了新型量子重力MEMS芯片(Tang et al.,2019),该芯片的灵敏度高达8μGal/√Hz、动态范围高达8000 mGal。可知,量子重力/重力梯度仪具有高灵敏度和高实时性的优势,有望击败现有传统方法,用于考古遗址扫描、矿产资源探测、火山活动监测、二氧化碳地下安全储存层探寻以及含水层调查等领域。  

  与传统传感器相比,量子传感器具有非破坏性、实时性、高灵敏性、稳定性和多功能性等优势。未来,随着量子理论及其控制技术的不断发展,量子传感器有望在建设工程、矿产资源、自然灾害探测、引力场测量以及医疗健康等领域取得突出应用,具有广阔的发展空间和应用前景。 

  主要参考文献 

  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. 

  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. 

  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. 

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

 

  (撰稿:,康利利/研发中心)

 
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