量子傳感的關(guān)鍵技術(shù)以及量子傳感器的典型代表，結(jié)合量子態(tài)的制備、操控、探測，概括了量子傳感具備顛覆性能力的核心原理及技術(shù)支撐，并詳細(xì)介紹了頻率、電、磁、重力、慣性等代表性量子傳感器技術(shù)，以及各類量子傳感器的基本原理、實現(xiàn)平臺及發(fā)展現(xiàn)狀。
量子傳感關(guān)鍵技術(shù)
量子傳感技術(shù)是伴隨著量子理論、人們對微觀粒子量子特性的發(fā)掘以及物理與信息技術(shù)的進(jìn)步而發(fā)展的。與經(jīng)典傳感技術(shù)相比，量子傳感技術(shù)之所以能夠具備顛覆性的傳感能力，即低噪聲(或高靈敏度、低不確定度)、高準(zhǔn)確性(或高可重復(fù)性)，其核心原因是微觀粒子狀態(tài)具有的基本特性：分立性、相干性、隨機性。如何充分兌現(xiàn)上述特性對傳感帶來的顛覆性效果，主要體現(xiàn)在針對微觀粒子量子態(tài)的制備、操控、以及探測三個方面(圖1)。
圖1 量子傳感技術(shù)基本架構(gòu)
2.1 量子態(tài)制備
量子態(tài)制備主要包括“量子傳感基本框架”中所涉及的“量子態(tài)初始化和初態(tài)制備”，主要目的是為了將微觀粒子的狀態(tài)轉(zhuǎn)化為可用于傳感的狀態(tài)，該狀態(tài)需要能夠在待測物理量的作用下隨時間演化。量子態(tài)制備是量子傳感技術(shù)的基礎(chǔ)。如何針對特定種類的微觀粒子以及待測物理量，制備合適的量子態(tài)，并抑制影響量子態(tài)保持時間的物理因素，是量子態(tài)制備部分需要重點解決的兩類問題及核心研究方向。
量子傳感中的量子態(tài)制備方法按照微觀粒子的類型，主要分為氣態(tài)物質(zhì)(主要包括原子、離子、分子等，其中原子最常見也最有代表性)、光子、固態(tài)物質(zhì)(主要包括超導(dǎo)、金剛石NV色心、量子點等“人造原子”)三大類。其中，針對原子，主要對象是原子中的電子、原子核，表現(xiàn)為處于特定能級上的電子或原子核，主要通過光場、磁場、碰撞、非線性過程等方式進(jìn)行狀態(tài)制備；針對光子，主要對象是光子的偏振、相位等，表現(xiàn)為壓縮態(tài)、糾纏態(tài)等特殊光場態(tài)，主要通過線性與非線性光學(xué)過程進(jìn)行狀態(tài)制備；針對超導(dǎo)，主要對象是超導(dǎo)量子比特，表現(xiàn)為量子化磁通、超導(dǎo)電流、電荷等，主要通過電場、磁場等方式進(jìn)行狀態(tài)制備。
除此之外，還有針對光力體系的量子態(tài)制備方法，主要對象是聲子，表現(xiàn)為處于特定振動能級(狀態(tài))上的聲子，可以通過光場等方式進(jìn)行狀態(tài)制備。但聲子數(shù)態(tài)及其相干疊加的制備在目前來看仍存在一定困難，本文主要討論針對原子的量子態(tài)制備方法。
2.1.1 電子
束縛態(tài)原子核外的電子具有分立能級。分立性的本質(zhì)歸結(jié)于電子處在原子核的勢場中(庫侖勢)，電子的波函數(shù)只能取特定模式。理論上，任意兩個能級都具備構(gòu)成量子傳感的基本條件之一——二能級系統(tǒng)，原子核外的電子為構(gòu)建用于量子傳感的二能級系統(tǒng)提供了廣闊的選擇空間及優(yōu)化渠道。
一方面，可針對待測物理量挑選合適的二能級系統(tǒng)。例如，對于原子鐘，所選取的二能級系統(tǒng)應(yīng)規(guī)避與外界物理量(如電場、磁場等)的相互作用，以精準(zhǔn)提取、輸出能級之間的本征頻率；對于原子電(磁)傳感器，則需要二能級系統(tǒng)具有顯著的電(磁)偶極矩。
另一方面，需考慮針對該二能級系統(tǒng)的量子態(tài)制備是否具備技術(shù)可行性，主要取決于當(dāng)前的技術(shù)手段。例如，在激光出現(xiàn)之前，對微觀粒子狀態(tài)的制備方法，主要基于微波場或靜磁場，二能級系統(tǒng)的可選范圍受限；20世紀(jì)90年代以來，半導(dǎo)體激光器技術(shù)飛速發(fā)展，使得二能級系統(tǒng)所對應(yīng)的頻率拓展到光頻段。同時，激光的高度可控性，大大提升了狀態(tài)制備效果，發(fā)展至今，已成為制備原子中電子狀態(tài)的核心技術(shù)，即光泵浦(optical pumping)技術(shù)。
2.1.2 原子核
與原子中的電子類似，原子核也具有分立能級，具備構(gòu)建二能級系統(tǒng)的基本條件；然而，與電子不同之處在于，原子核的能量更高、能級結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，且絕大數(shù)能級之間的頻率間隔都遠(yuǎn)大于電子的能級間隔以及可見光所對應(yīng)的頻率。由于制備原子核狀態(tài)的基本條件是光頻需匹配二能級之間的頻率間隔，因此，目前利用激光來直接制備原子核的狀態(tài)仍然非常困難。
鑒于上述原因，目前有關(guān)原子核狀態(tài)的制備方法，主要集中于對原子核自旋的狀態(tài)制備。絕大多數(shù)原子核的自旋量子數(shù)為1/2，如1H、3He、13C、129Xe等，因此，自旋“朝上”(spin up)和自旋“朝下”(spin down)兩個狀態(tài)即可構(gòu)成一個理想的二能級系統(tǒng)。在熱平衡狀態(tài)下，原子核自旋處于上述兩個狀態(tài)的幾率幾乎相同，原子核自旋的狀態(tài)制備急需打破這種熱平衡狀態(tài)，目前主流的方法主要有以下幾種。
磁場
磁場與原子核自旋會產(chǎn)生相互作用，使得原子核自旋“朝上”和“朝下”兩個狀態(tài)的能量出現(xiàn)差異，且差異量正比于外磁場強度——外磁場越強，原子核在能量更低的狀態(tài)上的分布幾率就越大(玻爾茲曼分布)，相當(dāng)于將更多的原子核制備到能量更低的狀態(tài)上。這種狀態(tài)制備方法被廣泛應(yīng)用于核磁共振等量子傳感領(lǐng)域。
交換碰撞
原子與原子之間發(fā)生碰撞時，一個原子中的電子與另一個原子中的原子核會因碰撞而在短時間之內(nèi)耦合在一起。在這個過程中，電子的自旋狀態(tài)，會通過電子—原子核之間的耦合作用，傳遞給原子核自旋，實現(xiàn)對原子核自旋狀態(tài)的制備。自旋交換碰撞(spin-exchange collisions)可以發(fā)生在兩種不同的原子體系之間，如堿金屬原子(39K、87Rb、133Cs等)與惰性氣體原子(3He、129Xe等)，也可以發(fā)生在同一種原子的不同狀態(tài)之間，如3He的亞穩(wěn)態(tài)和基態(tài)之間的自旋交換碰撞。這種原子核自旋狀態(tài)的制備方法效率極高，被廣泛應(yīng)用于基于惰性氣體的量子傳感領(lǐng)域。
動態(tài)核極化
與交換碰撞類似，動態(tài)核自旋極化(dynamic nuclear spin polarization)也主要基于電子和原子核之間的耦合作用，該技術(shù)主要被應(yīng)用于極化液態(tài)或固態(tài)樣品中的原子核自旋。例如，可以利用金剛石氮原子—空穴色心中的電子來極化位于其附近的原子核(如15N、13C等)，在需要高空間分辨率的量子傳感領(lǐng)域，如單個蛋白質(zhì)分子的信息提取等，有廣泛應(yīng)用。
值得一提的是，伴隨著原子核能級的計算理論及技術(shù)方法的不斷發(fā)展，原子核能級結(jié)構(gòu)的信息也在不斷擴充、完善，有助于發(fā)現(xiàn)可利用現(xiàn)有技術(shù)手段進(jìn)行原子核狀態(tài)制備的能級結(jié)構(gòu)，即，對原子核直接進(jìn)行光泵浦極化。截至目前，發(fā)現(xiàn)可以滿足上述條件的元素是釷-229m(釷-229的核異構(gòu)體，為釷-229核的激發(fā)態(tài)，釷-229是釷的放射性同位素之一)，對應(yīng)的激光波長在150 nm附近。相較于核外電子，原子核受外界電磁場影響更小，因此，利用釷-229m構(gòu)建基于原子核的光學(xué)原子鐘是目前量子傳感領(lǐng)域的重要研究方向，理論上要比基于核外電子的光學(xué)原子鐘具備更優(yōu)異的長期穩(wěn)定性能。
以上簡略歸納了目前在量子傳感領(lǐng)域，用于制備原子狀態(tài)的幾類技術(shù)方法。相較于原子核，電子的狀態(tài)制備主要基于光學(xué)手段，歸根結(jié)底，還是歸功于半導(dǎo)體激光器及非線性光學(xué)晶體(尤其是倍頻晶體等非線性光學(xué)參量過程所涉及的非線性光學(xué)晶體)技術(shù)的不斷發(fā)展，為電子狀態(tài)的制備提供了充足的光源。以上技術(shù)主要集中于將原子由熱平衡狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榉瞧胶鉅顟B(tài)，核心目的是將盡可能多的原子制備到同一個狀態(tài)，一般也被稱作狀態(tài)極化(state polarization)。對于量子傳感而言，更高的極化度意味著更高的信號強度，以及更高的傳感性能指標(biāo)，因此在保證足夠的原子數(shù)的前提下，不斷地提高原子的極化度，是量子傳感技術(shù)領(lǐng)域孜孜以求的目標(biāo)。除了將盡可能多的原子制備到相同狀態(tài)，還可以制備如原子壓縮態(tài)、糾纏態(tài)等特殊的量子態(tài)，這類研究目前仍主要局限于少量原子數(shù)所構(gòu)成的體系，但其發(fā)展?jié)摿εc意義十分重大。
針對量子傳感應(yīng)用，除了需要不斷發(fā)展?fàn)顟B(tài)制備技術(shù)、提高狀態(tài)極化度、制備更大粒子數(shù)尺度下的特殊量子態(tài)之外，還需關(guān)注如何減小對微觀粒子狀態(tài)的影響。例如，影響原子狀態(tài)保持時間的一個主要因素就是碰撞——原子與原子之間的碰撞，以及原子與邊界的碰撞，對基于氣態(tài)原子的量子傳感技術(shù)的性能影響尤為顯著。原子與原子之間的碰撞，會嚴(yán)重影響電子狀態(tài)，可通過在原子周圍充入緩沖氣體原子等方法來抑制；與邊界的碰撞，如處于玻璃氣室中的原子，可以通過對器壁鍍膜(如石蠟?zāi)?、氫化銣?的方法進(jìn)行抑制。對于固態(tài)“人造原子”體系，如NV色心，影響原子狀態(tài)保持時間的主要因素是體系中的雜質(zhì)，雜質(zhì)會產(chǎn)生隨機的電磁擾動，進(jìn)而影響電子、原子核的狀態(tài)，可通過對材料進(jìn)行提純來抑制。這些抑制方法雖主要涉及工程技術(shù)，但卻是保障量子傳感技術(shù)性能指標(biāo)的關(guān)鍵，甚至是決定性因素。
2.2 量子態(tài)操控
量子態(tài)操控主要包括“量子傳感基本框架”中所涉及的“量子態(tài)的演化和轉(zhuǎn)化”，對于量子傳感而言，這一部分相較于量子模擬/量子計算，有所不同：“量子計算需要將待解決的問題或擬實現(xiàn)的算法，轉(zhuǎn)化(或編譯)為一系列實現(xiàn)量子態(tài)演化的相互作用哈密頓量；而對于量子傳感，在態(tài)的演化部分，一般需要考慮量子態(tài)在待測物理量作用下的演化形式”。目前成熟度最高的一類量子傳感技術(shù)，如原子鐘、原子磁力儀、原子重力儀等，其量子態(tài)操控部分的基本目的可以概括為以下兩點：
(1)將制備的量子態(tài)轉(zhuǎn)化為可在待測物理量(如頻率、磁場、電場、轉(zhuǎn)動等)作用下演化的狀態(tài)，例如，對于原子鐘，需將原子狀態(tài)轉(zhuǎn)化為能夠在原子內(nèi)稟作用下演化的狀態(tài)，該狀態(tài)演化中就包含了可用作原子鐘頻率的信息(如不同量子態(tài)之間的相位差)；對于原子磁力儀、原子重力儀等，亦是如此；
(2)將演化后的量子態(tài)轉(zhuǎn)化為可觀測的狀態(tài)，這一步主要取決于后面的觀測手段。如果選擇的觀測手段可以直接觀測演化后的疊加態(tài)，則無需進(jìn)行這一操作。
對于原子中的電子以及原子核而言，基本的量子態(tài)操控手段仍集中于激光、交變或靜電磁場。針對一些特殊的應(yīng)用需求，也會設(shè)計一些特定的量子態(tài)操控方式，典型的有動態(tài)解耦序列，其在基于固體(如NV色心)的量子傳感技術(shù)中有廣泛應(yīng)用：一方面，可以抑制環(huán)境噪聲對量子態(tài)演化的不利影響，等價于一個可以濾除部分環(huán)境噪聲的“濾波器”；另一方面，也為探測按照一定頻率演化的物理量提供了技術(shù)手段(交流信號探測)。常用的動態(tài)解耦協(xié)議包括Carr-Purcell和Carr-Purcell-Meiboom-Gill (簡稱CPMG)方案。
可以看到，一切量子態(tài)操控技術(shù)的基礎(chǔ)，仍是微觀粒子的分立性，以及基于此而形成的二能級系統(tǒng)——能級之間固定的頻率間隔為操控原子狀態(tài)打開了大門。隨著量子傳感器不斷被應(yīng)用于更實際的應(yīng)用場景，如何充分發(fā)揮量子傳感器在復(fù)雜環(huán)境下的應(yīng)用性能，實際上對量子態(tài)的操控已經(jīng)提出了新的要求。
2.3 量子態(tài)探測
量子態(tài)探測主要包括“量子傳感基本框架”中所涉及的“量子態(tài)的讀取”，這一部分主要對演化后的量子態(tài)進(jìn)行測量，并提取有關(guān)待測物理量的信息。相較于初態(tài)而言，演化后的狀態(tài)一般是原本征態(tài)的疊加態(tài)，因此，單次測量得到的結(jié)果是隨機的。讀數(shù)是一個伯努利過程，以1-p的概率得到狀態(tài)A，以p的概率得到狀態(tài)B，這個概率通過單次測量無法得到，需進(jìn)行多次測量。這里的重復(fù)有兩方面意思，一方面，體現(xiàn)為對單個粒子重復(fù)進(jìn)行態(tài)的制備、演化、探測；另一方面，體現(xiàn)為粒子系綜的探測結(jié)果均值，這兩種意義上的重復(fù)可以并列進(jìn)行。
對于原子中的電子，類似于狀態(tài)制備，目前最有效的探測手段，仍是基于對光場參數(shù)的探測，如光場的強度、偏振等。電子在兩個能級之間的狀態(tài)演化，會通過這兩個能級所形成的電多極矩，如電偶極矩、電四極矩等，直接影響光場參數(shù)。通過測量經(jīng)過原子系綜后光場的強度、偏振(主要通過測量偏振旋轉(zhuǎn)角度，如非線性法拉第旋光效應(yīng))，或者測量熒光強度，都可以直接提取電子的狀態(tài)信息。目前，偏振旋轉(zhuǎn)測量的主要方法是平衡探測，或差分探測。相較于強度探測，平衡探測可在一定的程度上抑制激光強度中的共模噪聲(主要是技術(shù)類噪聲)；此外，平衡探測提供了與特殊光場態(tài)(如壓縮態(tài))相結(jié)合的契機，能夠進(jìn)一步壓制探測結(jié)果中的量子噪聲。
對于原子中的原子核，由于缺乏能夠直接耦合原子核能級的光學(xué)手段，針對原子核狀態(tài)的探測技術(shù)，主要包括兩大類：第一類主要通過電子與原子核之間的耦合作用，通過測量電子的狀態(tài)來間接反映原子核的狀態(tài)，如Rb—Xe混合系統(tǒng)，利用極化的Rb原子極化Xe原子核，同時，利用Rb原子探測Xe原子核的狀態(tài)演化，其中會涉及對原子核自旋所產(chǎn)生的磁場信號的放大效應(yīng)；第二類主要針對原子核的自旋狀態(tài)，即，隨時間演化的自旋狀態(tài)會產(chǎn)生隨時間變化的磁矩，進(jìn)而產(chǎn)生隨時間變化的磁場，可通過外置感應(yīng)線圈(利用法拉第電磁感應(yīng)定律)，或外置磁傳感器(如原子磁力儀)，來探測變化的磁場，進(jìn)而實現(xiàn)對原子核狀態(tài)的探測。此外，選擇特定的量子態(tài)探測方式，如量子無損測量、弱測量等，可以制備特殊的量子態(tài)，如原子的自旋壓縮態(tài)、糾纏態(tài)等，也是目前有關(guān)量子傳感領(lǐng)域的重點研究方向之一。
量子傳感的核心是對微觀粒子量子態(tài)的精確操控和讀取，其本質(zhì)是人類對微觀世界的操控能力以及認(rèn)知水平的綜合體現(xiàn)。相信隨著科技水平的不斷發(fā)展，基礎(chǔ)理論以及計算方法的不斷深入，量子傳感技術(shù)也一定會迎來更為廣闊的發(fā)展空間。
量子傳感器典型代表
3.1 原子鐘及時頻技術(shù)
原子鐘的物理基礎(chǔ)是量子頻率標(biāo)準(zhǔn)(簡稱為量子頻標(biāo))，它采用量子體系中能級之間的共振躍遷頻率作為參考，共振頻率信號非常穩(wěn)定且不易受外界環(huán)境影響，因此可提供目前為止最高精度的頻率信號。
量子頻標(biāo)按波長可分為微波頻標(biāo)(對應(yīng)微波原子/離子鐘，常簡稱為微波鐘)、光頻標(biāo)(光頻原子/離子鐘，常簡稱為光鐘)(圖2)。由于光波頻率比微波頻率大至少6個量級，光頻標(biāo)的頻率相對不確定度水平要優(yōu)于微波頻標(biāo)。雖然微波鐘發(fā)展成熟且應(yīng)用廣泛(常用的微波鐘有H、Rb、Cs三種)，且迄今為止國際秒定義標(biāo)準(zhǔn)仍采用Cs原子鐘，然而，微波鐘由于原理上的固有限制，其性能指標(biāo)很難在現(xiàn)有水平上得到更大的提升。隨著光鐘技術(shù)的迅速發(fā)展，光鐘指標(biāo)已達(dá)10-19水平，遠(yuǎn)超微波鐘，且有望得到進(jìn)一步提升，尤其是近幾年有關(guān)核光鐘的理論及技術(shù)突破(前文所述釷-229m)，更是為打開10-20頻率不確定度的大門提供了重要契機。
圖2 量子頻標(biāo)技術(shù)分類及基本信息——微波原子鐘、光頻原子鐘及原子核鐘
另一方面，以時頻同步技術(shù)為核心的大范圍、遠(yuǎn)距離時頻傳遞網(wǎng)絡(luò)技術(shù)也在迅速發(fā)展，該技術(shù)可將原子鐘提供的高精度時間頻率信號傳遞到遠(yuǎn)端并實現(xiàn)共享。多種高性能原子鐘結(jié)合高精度、遠(yuǎn)距離、網(wǎng)絡(luò)化的時頻傳遞技術(shù)，利用廣泛布設(shè)的地面基站，在接收不到導(dǎo)航衛(wèi)星信號或信號不足的情況下，能夠繼續(xù)提供高精度導(dǎo)航定位信號服務(wù)。
3.2 原子磁力儀
原子磁力儀(或原子磁傳感器)主要利用原子中的固有磁矩(或稱內(nèi)稟磁矩)在磁場下的演化規(guī)律，實現(xiàn)對外磁場幅值以及方向的測量。
目前常用的原子磁力儀，按照原子系綜的種類可分為堿金屬原子、He原子(包括3He、4He、金剛石NV色心等。其中，堿金屬原子磁力儀利用基態(tài)電子磁矩，兼具較高的相互作用原子數(shù)密度以及較長的自旋弛豫時間，磁場探測極限靈敏度單項指標(biāo)最優(yōu)。4He原子的核自旋量子數(shù)為0，因此基態(tài)能級無內(nèi)稟磁矩，需采用射頻激勵將基態(tài)原子激發(fā)到亞穩(wěn)態(tài)。在原子數(shù)密度與自旋弛豫時間兩方面，不及堿金屬原子，然而核自旋為0的優(yōu)勢在于亞穩(wěn)態(tài)4He原子的能量變化與外磁場呈線性關(guān)系，不存在外磁場對堿金屬原子所產(chǎn)生的非線性塞曼效應(yīng)。相較于堿金屬原子磁力儀，4He原子磁力儀在運動平臺下更有優(yōu)勢。與4He不同，3He原子磁力儀利用的是其原子核磁矩(測量原子核自旋)，自旋弛豫時間長，縱向弛豫時間能夠達(dá)百小時(圖3)。
圖3 原子磁力儀典型代表及相應(yīng)的用于磁場測量的能級結(jié)構(gòu)信息 (a)銣原子87Rb；(b)氦-4原子4He；(c)氦-3原子3He。其中I為核自旋量子數(shù)
提升原子磁力儀探測性能的技術(shù)方法，主要涉及兩個方面：提高相互作用的原子數(shù)、提高原子自旋的弛豫時間。前者可以通過增加氣室溫度(堿金屬原子)、增加激勵功率(He原子)、以及增加激光與原子相互作用的光程(增加原子氣室的尺寸、設(shè)計多反射光路結(jié)構(gòu)等)來實現(xiàn)；后者主要通過填充緩沖氣體、對原子氣室器壁進(jìn)行鍍膜，以及快速碰撞達(dá)到抑制自旋交換弛豫等方式來實現(xiàn)。不同的技術(shù)方案各有優(yōu)缺點及限制因素。
發(fā)展至今，原子磁力儀的探測靈敏度已達(dá)到甚至超越fT/Hz1/2的水平，逼近甚至超越超導(dǎo)干涉磁力儀(SQUID)，且有許多應(yīng)用上的巨大便利。相較于SQUID，原子磁力儀最大的優(yōu)勢在于無需低溫制冷及便攜性，目前正在集成度、魯棒性、環(huán)境適應(yīng)性等方面快速進(jìn)步。隨著原子磁力儀綜合性能的不斷發(fā)展，其在基礎(chǔ)物理、地磁觀測、地質(zhì)勘探、生命科學(xué)與醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域均正在或?qū)⒁玫皆絹碓綇V泛甚至是不可替代的應(yīng)用。
3.3 原子干涉重力儀
為了測量自由落體加速度絕對值，一般采用測量自由落體運動軌跡來解算重力值，稱為彈道式絕對重力儀。經(jīng)典絕對重力儀一般利用激光干涉儀測量安裝有反射鏡的宏觀落體的下落距離(圖4(a))。宏觀落體可以被冷原子團(tuán)所替代，激光干涉儀也可以更換為基于原子束的原子干涉儀，這就形成了原子干涉重力儀。
圖4 (a)光學(xué)干涉重力儀基本結(jié)構(gòu)；(b)原子干涉重力儀基本架構(gòu)及工作原理示意圖
原子干涉重力儀利用的是原子物質(zhì)波的干涉(圖4(b))。相較于光波，物質(zhì)波波長更短，因此具備準(zhǔn)確度高、穩(wěn)定度好、測量速度快、無機械磨損等特點，是絕對重力測量非常有潛力的技術(shù)方案和發(fā)展方向之一。發(fā)展至今，原子干涉重力儀的標(biāo)準(zhǔn)不確定度已逼近激光干涉絕對重力儀，達(dá)到微伽水平(伽為重力加速度單位，寫作Gal，在自然單位制下，1 Gal=0.01 m/s2)。隨著激光波前畸變效應(yīng)評估水平的提高，不確定度有望降至亞微伽。除了進(jìn)行絕對重力測量之外，還可以實現(xiàn)基于原子干涉效應(yīng)的原子干涉重力梯度儀以及全張量原子干涉重力梯度儀。
3.4 金剛石NV色心及固態(tài)摻雜體系
通過固態(tài)材料摻雜可以使固體材料的電子態(tài)和電子能級具備和原子的核外電子類似的分立能級結(jié)構(gòu)，因此可以作為對氣態(tài)原子體系很好的模擬或替代。固態(tài)材料摻雜體系中，最重要的一類是金剛石NV色心——金剛石中一個C原子被N原子取代，同時鄰近的一個C原子缺失所形成的晶體缺陷，稱為N原子—空位缺陷色心，即nitrogen vacancy center (NV色心)。其電子結(jié)構(gòu)可等效為S=1的電子自旋三態(tài)和S=0的電子自旋單態(tài)(S指自旋量子數(shù)) (圖5(a)，(b))。NV色心可以實現(xiàn)更精確的空間位置控制——高空間分辨率是金剛石NV色心等固態(tài)摻雜體系的核心優(yōu)勢。
圖5 (a)NV色心結(jié)構(gòu)圖，其中綠色小球表示碳原子，紫色小球表示氮原子，白色小球表示空穴，氮原子和空穴構(gòu)成了NV色心的基本結(jié)構(gòu)；(b)NV色心能級結(jié)構(gòu)圖，其中，3A2和3E分別表示基態(tài)三重態(tài)和激發(fā)態(tài)三重態(tài)，1A1和1E表示中間態(tài)；(c)基于單個NV色心的蛋白質(zhì)分子成像技術(shù)
基于NV色心的量子傳感器主要被應(yīng)用于測量磁場，其磁場探測靈敏度主要受限于熒光收集效率以及自旋弛豫時間。前者可以通過設(shè)計特定形式的波導(dǎo)，或采用光吸收以及光學(xué)諧振腔的方式進(jìn)行優(yōu)化；對于后者，因為是固體，相互作用的原子數(shù)密度很大，相應(yīng)地，原子自旋弛豫主要受限于原子之間的相互作用，因此需要在摻雜濃度和自旋弛豫時間之間權(quán)衡。目前，NV色心磁傳感器(系綜)的探測靈敏度可達(dá)到亞pT/Hz1/2的水平。除了測量磁場之外，NV色心還被廣泛應(yīng)用于測量電壓、壓強、溫度、酸堿度等，其核心都是利用上述物理參數(shù)對NV色心能級結(jié)構(gòu)的影響。此外，在極端環(huán)境(如高壓)下，NV色心也具備一定的傳感優(yōu)勢。
單NV色心在納米尺度的傳感方面一直占據(jù)著重要地位，比如高分辨率的掃描探測技術(shù)、生物標(biāo)記物、單蛋白質(zhì)成像等(圖5(c))。對于生命科學(xué)領(lǐng)域，NV色心具備發(fā)展形成新型探測設(shè)備的巨大潛力，例如，可將NV色心集成在光纖中，通過光纖，既方便用于極化NV色心中的電子自旋，也易于收集用作磁場傳感的熒光信號。
除了NV色心之外，近年來，基于硅色心(silicon color center)、量子點(quantum dot)等其他類型的固態(tài)摻雜體系“人造原子”的研究也越來越多，不過這些技術(shù)在實用性、技術(shù)成熟度，以及研究的廣泛程度等方面，與NV色心仍有一定距離。
3.5 里德伯原子電場探測
里德伯原子是指主量子數(shù)遠(yuǎn)大于1的原子，其最外層束縛電子離原子核很遠(yuǎn)，對于電場測量極具優(yōu)勢。首先，里德伯原子具有巨大的電偶極矩——電場改變原子能量，電極矩是重要媒介；其次，里德伯態(tài)的能級躍遷頻率可覆蓋MHz—THz的超寬范圍(圖6)；第三，里德伯原子具有更長的輻射壽命，可獲得更長的相干測量積分時間，有利于獲得更高的相干測量靈敏度。借助于激光頻率精確鎖定、大范圍可調(diào)諧等技術(shù)的快速發(fā)展，利用單光子或多光子激發(fā)方式可實現(xiàn)里德伯量子態(tài)的精確制備，以及對里德伯量子態(tài)的光讀出。
圖6 (a)里德伯原子基本能級結(jié)構(gòu)，探測光和耦合光用于產(chǎn)生EIT(電磁感生透明)效應(yīng)；(b)基于里德伯原子的交變電場測量基本架構(gòu)；(c)探測光功率隨耦合光失諧量的變化。若不存在交變電場，只有一個峰；若存在交變電場，則存在兩個峰，且兩個峰之間的頻率間隔正比于交變電場的幅值
相較于基于傳統(tǒng)天線的電場探測方式，基于里德伯原子的電場探測可以很好地解決傳統(tǒng)電場探測系統(tǒng)存在的計量溯源性問題——類似于原子磁力儀，對于里德伯原子，電場與頻率之間具有固定的比例關(guān)系，可實現(xiàn)自校準(zhǔn)而無需外界參考。同時，基于里德伯原子的電場探測靈敏度理論極限僅受限于量子投影噪聲，優(yōu)于受限于電路噪聲的傳統(tǒng)電場探測系統(tǒng)。此外，里德伯原子電場計可在同一套系統(tǒng)內(nèi)通過改變激光波長實現(xiàn)MHz—THz頻率的寬覆蓋范圍，而傳統(tǒng)天線需針對不同頻段的電場信號，改換不同特征尺寸的天線，才能匹配相應(yīng)的特征波長。
3.6 量子慣性技術(shù)
量子慣性技術(shù)主要包括原子陀螺儀和原子加速度計，前者主要包括原子干涉陀螺儀、核磁共振陀螺儀和無自旋交換弛豫陀螺儀，后者主要為原子干涉加速度計。
原子干涉陀螺儀利用原子物質(zhì)波的Sagnac干涉效應(yīng)實現(xiàn)對轉(zhuǎn)動的傳感，目前的主要技術(shù)方案包括雙冷原子團(tuán)對拋干涉、冷原子束流對射干涉、熱束流對射干涉等，實驗室樣機的零偏穩(wěn)定性達(dá)到10-5 °/h量級(h為小時，下同)，但距離理論精度仍有很大差距。
核磁共振陀螺儀以堿金屬原子和惰性氣體原子為工作介質(zhì)，通過內(nèi)嵌堿金屬原子磁力儀，探測原子核自旋磁矩的進(jìn)動信號，實現(xiàn)載體轉(zhuǎn)動信息的傳感，兼具導(dǎo)航級精度和小體積等優(yōu)勢。其零偏穩(wěn)定性能夠達(dá)到10-2 °/h量級。目前，核磁共振陀螺儀發(fā)展面臨的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)是：如何采用批量生成工藝，如微機電加工工藝(MEMS)，實現(xiàn)核心部件的大批量制造和組裝。
無自旋交換弛豫(spin exchange relaxation free，SERF)陀螺儀需工作在原子數(shù)高密度和零磁條件，也能夠?qū)崿F(xiàn)對轉(zhuǎn)動信息的高靈敏傳感。目前，SERF陀螺儀的零偏穩(wěn)定性處于10-2—10-3 °/h水平。其面臨的巨大困難是如何提升測量范圍和陀螺輸出閉環(huán)機制的難題。
原子干涉加速度計采用激光相位標(biāo)記原子位置的方法實現(xiàn)載體加速度的精密測量，具有靈敏度高、長期穩(wěn)定性好以及擴展性強等技術(shù)優(yōu)勢。與原子干涉陀螺儀略有不同的是——原子干涉加速度計對原子是否在空間上發(fā)生角度的偏轉(zhuǎn)無硬性要求，即無需構(gòu)成Sagnac干涉環(huán)，原子可在同一路徑上飛行并實現(xiàn)加速度的精密測量。目前，原子干涉加速度計主要包括自由空間型和光纖導(dǎo)引型，前者需要重點解決重力解耦難題，后者需要重點解決光子晶體光纖中原子裝載數(shù)量和相干時間提升等難題。
NV色心陀螺儀和光動量加速度計也屬于量子慣性技術(shù)范疇，在空間分辨率、集成度等方面具有優(yōu)勢，但尚處于技術(shù)探索階段。此外，超導(dǎo)干涉儀、量子增強光學(xué)干涉儀、量子照明、量子成像、光力等也屬于量子傳感技術(shù)，限于篇幅，在這里沒有詳述。其中，超導(dǎo)量子干涉儀早已是成熟技術(shù)且已邁入實用，其應(yīng)用主要受限于對低溫制冷的需求；糾纏/壓縮光注入的光學(xué)干涉儀可以提高儀表性能至標(biāo)準(zhǔn)量子極限以下，但受限于光源亮度和成本問題，目前尚未顯示出強的推廣應(yīng)用價值(引力波探測除外)；量子照明也面臨類似的光源問題。量子成像和光力技術(shù)可以認(rèn)為是量子技術(shù)啟發(fā)的技術(shù)。
量子成像/量子關(guān)聯(lián)成像早期的學(xué)術(shù)研究起源于糾纏光源，但主流實際應(yīng)用研究中并未使用糾纏光源，而是在很大程度上與當(dāng)前蓬勃發(fā)展的計算成像技術(shù)高度融合。而光力早在20世紀(jì)60年代就由A. Ashkin(2018年諾貝爾物理學(xué)獎得主)提出，并產(chǎn)生了光鑷(1986年實現(xiàn))和光學(xué)黏團(tuán)(1997年諾貝爾物理學(xué)獎)。近十年，光力系統(tǒng)由于可將宏觀(介觀)物體冷卻到量子基態(tài)而受到高度重視，迄今為止，在力學(xué)相關(guān)的精密測量領(lǐng)域取得了很好的進(jìn)展，同時，光力系統(tǒng)也具備對多種物理量(如電場、磁場、力、加速度、轉(zhuǎn)動等)的傳感能力，應(yīng)用潛力巨大。
結(jié)語
本文介紹了量子傳感的關(guān)鍵技術(shù)以及量子傳感器的典型代表。以原子中的電子、原子核為代表，從量子態(tài)的制備、操控、探測三個方面，概述了量子傳感與經(jīng)典傳感的區(qū)別，指出了量子傳感相較于經(jīng)典傳感具有顛覆性傳感能力的物理本質(zhì)，進(jìn)而總結(jié)了量子傳感潛在的發(fā)展方向。另外，從實際應(yīng)用角度出發(fā)，詳細(xì)介紹了目前已進(jìn)入實用化階段的量子傳感器的典型代表，覆蓋頻率、電、磁、慣性、重力等物理量的測量?？傮w而言，上述量子傳感技術(shù)的核心仍是基于微觀粒子的分立性，其發(fā)展方向主要體現(xiàn)在如何進(jìn)一步提升量子傳感器的環(huán)境適應(yīng)能力，以及與“二次量子革命”以來的量子精密測量技術(shù)進(jìn)行結(jié)合。依托經(jīng)典噪聲抑制技術(shù)及信號提取技術(shù)，經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，此類量子傳感器已經(jīng)充分證明了其優(yōu)異的傳感性能。更進(jìn)一步，需要提高此類技術(shù)在更實際、更復(fù)雜應(yīng)用場景下的傳感性能，以期進(jìn)一步拓展量子傳感所帶來的極限探測性能的潛在應(yīng)用方向。
