清华登《自然》！量子测量灵敏度提升 2.7 倍，攻克热化效应百年瓶颈

记者 华 凌

　　量子精密测量是量子科技赛道中距离产业化、实用化最近的领域之一。凭借超高的探测灵敏度，量子精密测量在资源勘探、医疗诊断等场景中拥有广阔应用空间。然而，长久以来，量子多体系统中由粒子间相互作用引发的热化效应，如同无形壁垒，持续制约着量子传感的测量精度、信号稳定性，也成为阻碍其走出实验室、实现规模化落地应用的核心瓶颈。

金刚石自旋系综动力学冻结示意图。受访者供图

　　中国科学院院士、清华大学基础科学讲席教授段路明，清华大学交叉信息研究院长聘副教授邓东灵、助理教授侯攀宇组成的科研团队取得突破。他们首次在大规模固态自旋体系中观测到多体动力学冻结现象，其有效抑制了热化效应，为提升量子传感稳定性和灵敏度提供新路径，有利于推动量子传感技术进一步走向实用化。相关成果日前在线发表于国际学术期刊《自然》。

　　热化效应缩小测量窗口

　　什么是热化效应？邓东灵解释：“量子多体系统由大量微观粒子组成，每个粒子都带有自旋属性，就好像自带无数枚微型磁针。正常状态下，粒子保持有序排列，能够精准记录探测信号，但粒子之间会持续发生相互作用，随着时间推移，系统原本有序的状态会逐渐消失、趋于无序均衡，这一过程就是热化效应。”

　　“热化最直接的危害，就是损毁量子系统记录的测量信息。”侯攀宇说，这就如同墨水滴入清水后最终完全扩散均匀，初始信息彻底丢失。在周期性驱动的量子传感系统中，热化问题会被进一步放大。外部设备持续驱动工作时，会不断向量子系统注入能量，系统很快变成无特征的高温状态，原本可捕捉的微弱探测信号会彻底被抹平。

　　相干时长是量子精密测量的核心指标，代表系统保持有序、有效工作的时长。传统量子传感系统的相干时间受热化效应限制，有效测量窗口被大幅压缩。热化效应带来的性能局限让量子传感精度难以提升，极大限制了超导材料检测、活体细胞观测等前沿场景的应用落地。

　　那么，如何抑制热化效应呢？科学界提出了多体动力学冻结现象，它是指通过对复杂量子系统施加精准的周期性驱动，不但不会加速其混乱，反而能让它进入一种有序信息被“保护”起来的特殊“冻结”状态。

　　团队成员、清华大学博士袁冬介绍，受限于真实实验系统的复杂性和诸多干扰因素，这一物理现象始终未能在大规模真实体系中实现观测，成为困扰全球量子传感领域多年的科研难题。

　　实现动力学冻结状态

　　研究团队的核心突破，在于攻克了真实体系下的实验难题，首次在大规模固态自旋体系中捕捉到多体动力学冻结现象，并探明了其核心作用机制。

　　谈及实验攻关思路，团队成员、清华大学交叉信息研究院博士后卢亚男详细还原了实验全过程。区别于小规模理论实验，此次研究立足实用化场景，选取金刚石内近万个氮—空位色心电子自旋搭建大规模实验平台。“氮—空位色心具备优良的光学性能和自旋特性，是量子传感领域的重要实验平台。该实验体系高度贴合真实量子传感的工作场景，成果具备极强的落地参考价值。”卢亚男说。

　　此次实验最大的难点在于大规模真实体系可控化。小规模模型实验容易规避干扰，但由近万个粒子组成的固态自旋体系，相互作用复杂、干扰变量极多。

　　依托金刚石材料化学性质稳定、能够适配极端环境的天然优势，团队通过标准化技术手段完成了系统操控：利用激光实现自旋系统的初始化与信号读出，借助精准调控的微波场对整个体系实施全局周期驱动，让海量相互作用的自旋粒子处于可控的实验状态中。

　　经过反复参数调试，团队成功让自旋系综进入了稳定的动力学冻结状态。实验数据真实印证了这一全新物理现象：在特定参数条件下，系统磁化量可稳定维持约200个驱动周期，系统相干时长相比传统技术提升了一个数量级。反之，一旦驱动参数偏离冻结标准，系统会立刻快速热化、丢失有序信号。

　　通过多组对照实验，团队最终明确了这一突破的核心原理：周期驱动诱导产生的涌现守恒量，是抑制量子系统热化的关键机制。

　　涌现守恒量可以通俗地理解为一个系统在特定外部周期驱动条件下，产生的一个近似守恒的物理量。这也是学界首次通过实验证实，涌现守恒量可以保护大规模自旋体系的有序量子状态，让系统能够远超常规相干时间，持续保持稳定的探测响应能力。

　　实测数据显示，相较于传统技术方案，新研发的动力学冻结传感方案，使磁场测量灵敏度提升了约2.7倍，对微弱磁信号的探测能力得到大幅强化，可捕捉以往设备无法识别的微弱信号。

　　拥有广阔交叉应用前景

　　新研究不仅是基础物理领域的重要发现，更实现了技术落地突破，将动力学冻结机制成功应用于磁场测量，让量子传感性能实现了质的飞跃，为行业发展开辟了新路径。

　　“这套方案仅需对自旋体系进行全局统一调控，无需单独操控每一个粒子，操作流程简单、可控性强，摆脱了传统高精度量子设备操作复杂、难以推广的短板。”侯攀宇说。

　　依托金刚石自旋体系耐高温、耐高压、适配极端复杂环境的特性，这项全新量子传感技术拥有广阔应用场景，可广泛覆盖多个前沿交叉领域。

　　在凝聚态物理与材料领域，该技术可用于超导材料、铁磁材料的高精度磁性检测，助力新型功能材料研发，为高端量子材料、超导器件的科研攻关提供精准探测工具。

　　在化学与生物医学领域，凭借超高的探测精度与稳定性能，该技术可实现活体细胞内部微观参数观测，精准探测细胞内磁场、温度等物理量的变化，为细胞机理研究、生物医药前沿探索提供技术支撑。