纳米尺度下的量子精密测量

　　现代精密测量技术是一门集光学、电子、传感器、图像、制造及计算机技术为一体的综合性交叉学科[1],“没有测量就没有科学。”科学技术是工业信息技术的重要组成部分，是工业信息技术源头[2]，而提高测量精度一直是人类追求的目标，随着对量子物理理解的深入，人们可以借助电子、光子、声子等量子体系的量子效应构成高灵敏度的量子传感器[3]，将物理量的测量精度进一步提高，如原子钟[4]，光钟[5]，原子干涉仪[6]以及生物医药研究中的纳米药物[7]等等。自1926年德国物理学家玻恩提出态函数的统计诠释令量子物理学得以摆脱经典物理学观念后[8]，量子测量的发展就将量子物理与信息结合，从而超越了传统经典测量,连接了经典世界与量子世界[9]，在科学研究、国防建设等诸多领域有着重大意义。量子测量涵盖电磁场、重力应力、方向旋转等物理量，应用范围涉及基础科研、空间探测、材料分析、惯性制导、地质勘测、灾害预防等诸多领域，其测量的结果也逐渐接近乃至突破理论的海森堡极限[10]。钻石中的氮空位（NV）颜色中心是一个蓬勃发展的研究领域，有关系统的应用使生物成像到量子传感的一系列领域受益，为纳米尺度下有关物理量的精密测量提供了巨大帮助。此外还有基于量子光学的光盾梳技术[11]、量子弱测量技术[12]、基于拉曼散射效应的光－原子混合干涉仪[13]等。本文将简述基于金刚石NV色心的精密测量。

　　金刚石是碳的同素异形体所构成的单质，其硬度大，折射率高，耐酸耐腐蚀，且于生物细胞都是无害的。纯净的金刚石本无色透明，之所以自然界中的金刚石具有各种绚丽的色彩，其主要原因是金刚石中含有各种杂质与缺陷。因为金刚石具有大的带隙(5.5eV)，所以金刚石中会产生更多的杂质或与空位相关的光学缺陷或色心。目前已知金刚石中的发光缺陷有上百种[14]。

　　其中，金刚石中的氮空位(NV)颜色中心因其独特的特性和广阔的尖端应用前景引起了研究者广泛的兴趣。其应用范围从新型光学显微镜的纳米级发光标记到作为量子信息技术基础的“自旋量子位”[15]。NV色心是一种光学可读传感器，可以高精度地测量各种物理量。近几年，人们的研究证明了NV色心在磁场，电场，温度，离子浓度和自旋密度精确测量的原理。

　　形成色心的晶格缺陷普遍存在于各种晶体金刚石材料中，从小行星上的分子大小金刚石[16]到化学合成的纳米，微米和宏观尺寸的金刚石[17]金刚石中的NV缺陷是发光的色心，其吸收460-600nm波长范围的光线，当其被绿光(532 nm)激发时，该缺陷会在近红外区域发出宽泛的荧光(最大集中在680 nm)。此外，金刚石NV色心中心具有自选特性。金刚石纳米颗粒色心还具有强大光稳定性和低细胞毒性，因此在生物应用上可以作为荧光生物标记，用于跟踪记录细胞生长生物过程的光学跟踪[18]。

　　具有自旋的微观粒子在某些特定的条件下会发生磁共振，由此发展起来的磁共振谱学和成像技术可以在不破坏测量物质结构的前提下，精准快速的获取测量物信息[19]。但现在通用的磁共振波谱仪因其探测原理缺陷，其分辨率最高只有微米量级。而基于金刚石点缺陷中的氮-空位(NV)色心的探测技术已经达到纳米分辨率、单自旋灵敏度的微观磁共振。在物理与材料科学领域，已经实现了纳米尺度质子自旋的磁共振探测[20],且进一步达到了单质子灵敏度[21];

　　不同种类的待测信号对NV色心的哈密尔顿量的影响不同，磁场的变化会影响曼劈裂,附近的自旋会施加耦合作用。基于NV色心探测磁场的常用的方法与干涉仪的原理类似[22],如图1所示。其主要过程是先将NV色心基态电子自旋制备到两个本征态的等幅叠加态上,然后让该体系在待测场中演化;其间两个本征态上积攒的相位是不同的,由此造成相对相位的差异;最后将这个相对相位转化为布居度读取出来,即可获取待测信号的信息。

　　图1NV色心干涉仪NV色心与被测自旋相互作用,在叠加态上产生相对相位,通过干涉将该相位信号转化为布居度信号进行读出

　　此外对于交变磁场的测量，还有用拉比震荡的方法测量微波磁场幅度，用扫频或者脉冲的方法测量静磁场以及通过CPMG序列来测量射频磁场的幅度，但这些方法的前提是已知待测射频磁场的频率信息[23]。

　　2010年有人研究了NV色心的零场分裂值与温度的关系。2010年有人研究了NV色心的零场分裂值与温度的关系，室温下，dD/d T=−74.2(7)kH z/K[24]，可以用作纳米空间分辨率的高精度温度探头NV色心作为一种温度传感器，能够深入到细胞或生物体内部而不会对其产生致命影响；可以通过激光读出信号，并且信号不受其他电磁噪声的干扰；探针本身不会发热，读出激光的平均功率也在百微瓦量级，几乎不会伤及被测样品活性。

　　中国科学技术大学的王俊峰团队在580°C空气中精确的氧化刻蚀金刚石表面，研究出了NV色心相干时间与氧化刻蚀控制的NV色心深度的关系，并通过缓慢刻蚀方法和低能N离子注入，制备出比初始注入深度更浅的NV色心。之后再利用金刚石中注入NV色心和动力学解耦方法研究了其在静磁场中的温度探测，最终证明了对于离阶动力学解耦脉冲方法，其相干时间可达到108μm，大约是Thermal Ramsay方法相干时间(7.7μs)的14倍，对应温度灵敏度为10.1mK/Hz1/2[25]。此外，该团队结合注入NV色心阵列和TCPMG-3脉冲序列测量了金刚石表面溫度分布。其灵敏度为24mK/Hz1/2，是纳米金刚石中单NV色心灵敏度的六倍[26]。这些实验都说明了利用高纯金刚石中的注入NV色心可实现高灵敏度的温度探测。

　　XXX一致力于量子测量领域的产学研深化融合。近年来，麻省理工大学、斯坦福大学、普林斯顿大学等高等院校研究机构在量子测量领域取得大量原创性和突破性研究成果，如2010年普林斯顿大学报道了原子SERF磁力计实现0.16fT/Hz1/2的灵敏度，是目前世界上最高的磁场检测精度；2011年加州大学伯克利分校首次实现了超流体量子干涉陀螺仪[27]；2016年X国家标准与技术研究院实现了镱原子光频标稳定度突破1.6×10-18量级。研究成果中既包括量子测量技术本身，也包括低温物理学、光子学、低噪声微波放大器、纳米制造等支撑性原理技术。除此以外许多企业，如Northrop Grumman、Twinleaf、Honeywell、Microchip等公司也在诸如量子惯性导航与量子时间基准领域实现小型化、集成化和商品化。如2013年Northrop Grumman公司实现体积为10cm3的小型化核磁共振陀螺仪。X形成的产业界、学术界和XX之间的合作伙伴关系可以加速量子测量技术的研究与开发，并在此过程中解决科学和应用方面的重大挑战，促进技术成果转化。

　　我国在量子测量领域起步与X相比较晚,但总体来说稳步发展。目前有多个研究机构开展研究，北航房建成院士团队、中科大杜江峰院士团队[28]、中国电科陆军院士团队、山西大学光电研究所[29]等都在量子测量领域取得了明显成果。从研究成果整体来看，有些领域与世界先进水平差距正逐步缩小，譬如国内报道的最高精度磁力计的灵敏度约为5f T/Hz1/2，最高精度的离子频标达到10-17量级，与世界先进水平的差距降低到一个数量级。但有些领域与欧X家报道的技术水平相差很大，譬如量子纠缠雷达领域，2013年X麻省理工就报道了原理样机，而国内目前的报道多为原理分析、理论模拟仿真、算法优化等方面的成果。

　　总的来说X技术领先，我国取得一定成果，但与欧美仍有差距，且我国量子测量发展与应用面临挑战，需要XX、科研机构、行业企业联合助力攻关，共同促进量子测量技术和产业发展。国家层面明确战略部署和演进路线，同时为成果转化建立体制机制保障，重视人才培养和引进，促进科研机构和行业企业之间，以及不同领域之间的交流合作，为量子测量技术研究探索新型合作发展道路。

　　精密测量作为科学发展重要的一环，随着量子极限的突破[30]，测量精度向微小领域发展,由毫米级、微米级继而涉足到纳米级,即微/纳米技术。微/纳米技术研究和探测物质结构的功能尺寸与分辨能力达到微米至纳米级尺度，使人类在改造自然方面深入到原子、分子级的纳米层次。相信随着微纳加工技术的继续发展，纳米尺度的量子精密检测将具有更广阔的应用前景。

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