近日，全球首台商用低温版扫描氮—空位探针显微镜在安徽合肥发布，该仪器主要用于(yu)检测纳米材料的表面磁性，将为(wei)材料科学、凝(ning)聚态物理、生命科学等领(ling)域(yu)研究提供一种全新的工具。该仪器由中国企业自主研制，标(biao)志着我国量(liang)子精密测量(liang)技术产业化发展取(qu)得了新的突(tu)破。
量(liang)子精密测量(liang)，是(shi)指利用能级跃迁、相干叠加、纠缠等量(liang)子特性，在测量(liang)精度、灵敏度、分(fen)辨率(lu)等方面实现大幅跃升。举个例子，我们可以用体(ti)温计测量(liang)人的体(ti)温，但无法用体(ti)温计测量(liang)蚊子的体(ti)温，因为(wei)体(ti)温计的端头比蚊子还要大，一个大的传感(gan)器是(shi)难以测量(liang)一个小的物体(ti)的。若要测量(liang)比蚊子还要小得多的物体(ti)，比如单个DNA分(fen)子、药物蛋白分(fen)子等，我们就需要比分(fen)子和细胞更小的传感(gan)器。
近年来，科学家发现了一种基于(yu)“钻石缺(que)陷”的量(liang)子传感(gan)器，这种传感(gan)器的感(gan)测单元只有原子尺度大小，可以说是(shi)人类所能研制的最(zui)小传感(gan)器之一。钻石看似完美无瑕，实则有很(hen)多“缺(que)陷”，但也正是(shi)这些“缺(que)陷”，让钻石显现出某些可被利用的特性。比如，当钻石中相邻的两个碳原子被一个氮原子和一个空位替换(huan)后，形成的结构就表现出一种非常好的光学特性和量(liang)子相干性，科学家将它命名为(wei)金(jin)刚石氮—空位（NV）色心。
NV色心是(shi)一种优异(yi)的量(liang)子传感(gan)器，可以将其简单地看作一个极其微小的磁针。通过光探测磁共振技术，研究人员不仅能够(gou)观(guan)测到NV色心，还能用它测量(liang)周边磁场，并利用光和微波读出具体(ti)的磁场大小。经过氮离子注(zhu)入(ru)、退火等几十道精细的微纳加工步骤，研究人员能够(gou)人工制备(bei)出金(jin)刚石NV色心，并能将其规(gui)模化生产成可以用于(yu)扫描成像的扫描NV探针。
此次研究人员研制的商用低温版扫描NV探针显微镜，就是(shi)一款结合了NV色心光探测磁共振技术、原子力显微镜扫描成像技术的量(liang)子精密测量(liang)仪器，可在宽温区下实现高分(fen)辨、高灵敏度、定量(liang)无损的磁学成像，具有纳米级的高空间分(fen)辨率(lu)以及单个自旋的超高探测灵敏度。
除了金(jin)刚石NV色心，量(liang)子精密测量(liang)还有很(hen)多技术路线，包括原子磁力计、原子钟等。原子磁力计是(shi)用光与原子的相互作用来探测磁场的技术，可以进行冠(guan)心病与心率(lu)异(yi)常检测；光晶格钟作为(wei)新一代原子钟，目前能达到百亿年误差仅有1秒。各(ge)个技术路线，依据应用场景各(ge)显神(shen)通。
量(liang)子传感(gan)器被誉为(wei)“打(da)开微观(guan)世界的一把钥匙”。它不仅小，灵敏度也非常高，可以测到过去(qu)很(hen)多探不到、测不准的信(xin)号，如脑磁、心磁信(xin)号等，可用于(yu)神(shen)经性疾病、冠(guan)心病等疾病早期(qi)诊断。同时，量(liang)子精密测量(liang)还带来一些检测手段的革新，例如在新能源(yuan)领(ling)域(yu)进行锂电池(shi)内的漏电流检测，在能源(yuan)勘探领(ling)域(yu)可用于(yu)电网管(guan)理，在半导体(ti)/集成电路领(ling)域(yu)可用于(yu)芯片(pian)电流成像等。
业界将量(liang)子精密测量(liang)视为(wei)量(liang)子信(xin)息技术领(ling)域(yu)又一个“产业化条(tiao)件成熟”的方向，技术创新也日趋活跃。近年来，全球孵(fu)化出多家量(liang)子测量(liang)领(ling)域(yu)初创公司，挖掘各(ge)类应用场景，推动量(liang)子商业化进展。
通俗地讲，量(liang)子精密测量(liang)就是(shi)变“不可见”为(wei)“可见”。如果把我们认识的世界比作冰山，那么水面之上的是(shi)现在的传感(gan)器能够(gou)看到的，仅仅是(shi)冰山一角，水面之下则是(shi)未来量(liang)子精密测量(liang)可以观(guan)察到的。量(liang)子精密测量(liang)将成为(wei)我们挖掘宝贵信(xin)息“冰山”的强力工具，不断拓展人类的认知边界。显微之中，预见的是(shi)全球技术发展不可限量(liang)的未来。
（作者为(wei)安徽省(sheng)量(liang)子精密测量(liang)制造业创新中心主任）