韩国基础科学研究所(IBS)量子纳米科学中心（QNS）和德国尤里希研究中心（Germany's Forschungszentrum Jülich）的国际研究团队开发出世界上首个原子级量子传感器，能够检测原子尺度的微小磁场。
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该论文《A quantum sensor for atomic-scale electric and magnetic fields》25日发表在《自然·纳米技术》上。这一成果标志着量子技术领域的一个重要里程碑，有望对多个科学领域产生深远影响。
▲来源：Nature
原子直径比人类发丝还要细100万倍，要观察和精确测量原子产生的电场、磁场等物理量极为困难。为了从单个原子中探测如此弱的场，观察工具必须高度敏感，且尺寸需与原子相当。虽然许多量子传感器能够探测电场和磁场，但要在空间分辨率上达到原子尺度却是个极大挑战。
此次的原子级量子传感器成功之处在于，它仅使用了单个分子。这是一种概念上不同的传感方式，因为大多数其他传感器的功能都依赖于晶格缺陷。这些缺陷只有在深深嵌入材料中时才会显现其特性，因此这种能够探测电场和磁场的缺陷通常与物体保持相当大的距离，从而限制了在单个原子尺度上进行观测的能力。
▲来源：Nature
研究团队改变了方法，开发出一种使用单个分子来探测原子的电磁特性的工具。该分子附着在扫描隧道显微镜的尖端，可以将其带到距离实际物体仅几个原子的位置。
这项开创性工具类似核磁共振成像（MRI）的量子材料设备，为量子传感器中的空间分辨率设立了新标准，将使科学家能够在最基本的层面上探索和理解物质。
该传感器空间分辨率高达0.1埃，而1埃通常对应于一个原子直径，有望为量子材料和设备工程、新型催化剂设计以及分子系统（如生物化学）基本量子行为的研究开辟新途径。
这种突破性的量子传感器有望为工程量子材料和设备、设计新的催化剂以及探索分子系统的基本量子行为（例如生物化学）开辟变革性途径。正如QNS的PI BAE Yujeong所指出的那样，“观察和研究物质的工具的革命源于积累的基础科学”。
美国物理学家、诺贝尔奖获得者理查德·费曼（Richard FEYNMAN）所说，“底部有足够的空间”，技术在原子层面上操纵的潜力是无限的。理查德·费曼同时是第一个纳米技术概念提出者。Jülich研究小组负责人Temirov教授补充说：“很高兴看到我们在分子操纵方面的长期工作如何导致构建了一个创纪录的量子设备。
研究将一种分子附着在扫描隧道显微镜尖端，实现了前所未有的灵敏度和空间分辨率。图片来源：美国科学促进会网站
量子传感爆发，8年内量子传感器产业化落地？
量子通信有三大应用领域：量子计算、量子通信、量子精密测量，上面提到的“九章”号、“墨子”号等就是量子计算、量子通信的应用。量子精密测量的主体，就是量子传感器，相对前面两者较为低调。量子传感器是目前量子技术中最接近实用的技术。
量子传感器是根据量子力学规律、利用量子叠加量子纠缠和量子压缩等效应设计的、用于执行对系统被测量进行变换的物理装置。
在量子传感中，电磁场、温度、压力等外界环境直接与电子、光子等体系发生相互作用并改变他们的量子状态，通过对这些变化后的量子态进行测量便可以实现对外界环境的高灵敏度测量。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、稳定性和多功能性的优势。
简而言之，应用量子技术，可以极大提高目前传感器的灵敏度、准确率、稳定性等指标，可实现比MEMS传感器精确近1000倍的测量，让传感器“大跃进”。
多国将量子传感器列为国家战略
目前，全球主要国家已将量子传感器列为国家科技发展战略。
基于美国国家利益，美国国家科学和技术委员会(NSTC)量子信息科学小组委员会(SCQIS)在2022年3月份发布了名为《将量子传感器付诸实践》的报告，通过扩展量子信息科学(QIS)国家战略概述中的政策主题，领导相关研发机构加快开发新的量子传感方法，并计划在未来1-8年，根据报告的建议采取行动加速实现量子传感器取得的关键发展，确立美国量子传感器技术领先地位。
相关美国量子传感器战略内容，可参看《地球最强科技大国发布量子传感器战略，写了4个字：国家利益！》。
2021年，欧洲核子研究中心（CERN）发布《量子技术战略和路线图》，探讨量子技术如何在量子计算、量子传感器等领域发挥作用。
▲《量子技术战略和路线图》主要发展目标
中国持续跟踪量子技术的前沿研究，在量子计算、量子通信方面已处于全球领先水平，量子传感器技术同样不落后。2022年，国务院发布《计量发展规划(2021—2035年)》，提出“重点开展量子精密测量和传感器件制备集成技术、量子传感测量技术研究”，多次提到量子传感技术的研究重要性。
▲《计量发展规划(2021—2035年)》部分内容
部分量子传感器商业化案例
量子传感器凭借量子纠缠效应，可实现比MEMS传感器精确近1000倍的测量，让传感器“大跃进”。多家传感器巨头企业已经开始部署量子传感器研究。
据媒体报道，今年3月份博世发布了首个“量子陀螺仪”，其作用与普通陀螺仪一样，但却利用量子原理制造，目前已可达普通陀螺仪100倍以上的精度。
▲博世量子陀螺仪传感器试验
法国 Muquans 公司于2019年推出首款量子重力仪，目前大多数基于现场的重力测量都使用相对重力仪，它可以监测悬挂在弹簧上的物体位置的微小变化。这些设备的输出会随着时间的推移而产生漂移，因此一定时间后必须通过绝对设备进行校准。而量子重力仪无需校准，即可实现长久、精确的测量。
▲法国 Muquans 公司的量子重力仪
虽然多国已将量子传感器列入国家科学战略，不少企业已开始量子传感器商业化应用的尝试，但目前仍停留在初始阶段。根据美国科学委员会的计划，最快8年内将有希望实现量子传感器产业化。
