量子技术 “挑战”测量极限

中科大杜江峰院士（右）在实验室指导学生。本报记者程兆 摄

本报记者 桂运安

日前，中国首台商用脉冲式电子顺磁共振波谱仪在合肥诞生。这一“国之重器”的核心技术源于中科大中科院微观磁共振重点实验室，由国仪量子公司转化、具有自主知识产权，其正式商用不仅填补了国内空白，更打破了国外的垄断，在量子精密测量、量子计算、自动化控制与测量、脉冲成像技术、医学诊疗等诸多科学研究领域以及相关高精尖产业，具有广泛的应用前景。

神奇的量子精密测量

“分身术”“隐身术”“心灵感应”……神奇的量子世界，具有诸多神奇的特性。量子的“分身术”也叫量子叠加，就是一个量子可以同时存在好几种状态；“隐身术”就是量子的隐形传态，不需要任何介质，可以实现信息的精确传输；“心灵感应”是量子的纠缠特性，有两个共同来源的微观粒子，只要其中一个粒子状态发生变化，另一个状态立即会发生相应变化。

量子通信、量子计算、量子精密测量，基于量子诸多特性发展起来的量子信息技术，正成为世界各国“暗自较劲”的热点。其中，量子精密测量又称量子传感、量子感知，是使用量子技术对物理量进行更高精度、更高分辨率的测量技术。量子态对环境非常敏感，稍微有一点扰动，就会产生剧烈变化。量子精密测量利用的正是这一神奇特性，现在可以测量的物理量有时间、微波、光线、温度、磁场、电流、压强、转动、细胞结构、化学反应、电场、离子浓度、生命过程等。 2018年9月24日，美国发布《国家量子战略计划》，其中支持额度最大的就是量子精密测量。

“量子精密测量应用范围非常广泛。”国仪量子总经理贺羽介绍，在医疗方面，高灵敏度的量子精密测量可检测出单个癌变细胞，高分辨率医学成像可用于疾病早期诊断。在科研方面，可以解析单个分子的结构，为新药研发提供基础；能够提高引力波探测灵敏度，还可以助力新材料的发现。在能源方面，可用于寻找金属矿藏。在工业方面，可用在汽车电源管理系统中，更精准的测量带来更高效的电源管理；更高精度、更宽温度范围的电流测量，可作为电流互感器，应用在电力电网系统；高分辨率芯片电流的分布成像，可用于芯片检测和设计；更高精度的原子钟，能带来更高精度的GPS定位。新一代定位导航、激光制导、水下定位，均能用上量子精密测量技术。 “量子精密测量精度更高，用其测量磁场，精度可比经典方法高几个量级。 ”中科大教授李传锋说。

国之重器走向产业化

科学仪器装置，被誉为“国之重器”。 10月16日，国仪量子在合肥宣布中国首台脉冲式电子顺磁共振波谱仪诞生，标志着这一“国之重器”正式商用。中科大中科院微观磁共振重点实验室教授苏吉虎介绍，该谱仪的核心技术源于磁共振重点实验室十多年的积淀，其国产后既能推动物理、化学、生物、材料、医学、信息科学等科学领域的发展，也会带动相关高精尖产业的崛起。

电子顺磁共振是当代重要的物质科学研究手段。电子顺磁共振是利用谱学，研究物质中未成对电子的技术，其基本原理类似核磁共振，但是把研究对象从原子核转变为未成对电子。对于自旋标记的生物分子样品，可通过顺磁共振技术获取分子的动力学、结构等重要信息。这些信息主要源于电子自旋的精细和超精细结构，它们均可以从顺磁共振谱中提取。

“这台谱仪在微波脉冲产生、高精度时序控制器、任意波形发生器、探头设计等核心技术上，已经达到国际领先水平。”贺羽介绍，该谱仪可实现多种复杂的脉冲实验，能产生500瓦高功率、高相位稳定性的微波脉冲，且具有个性化、可定制、易扩展、高集成度、高稳定性等特性，具有灵活的波形产生和数据处理方式。其中，核心部件任意序列发生器，通过“时间内插”的高时间精度序列发生方法与“高速时钟法”相结合，突破了传统方法实现序列发生的时间精度的上限，可以得到50皮秒（1皮秒为1万亿分之一秒）精度的序列发生功能，可广泛应用于量子精密测量等领域。

“这完全是逼出来的科研成果。”贺羽回忆说，之前由于教学和科研需要，他的导师中科大杜江峰院士曾向一家国外公司购买这种设备，但遭遇了国外公司临时坐地起价。这一事件，深深刺激了杜江峰院士团队。随后，在国家“重大科学仪器设备开发”重点专项的持续支持下，他们埋头攻关，最终在多项尖端技术上实现了突破，这才有了这一国产谱仪的诞生。

为了推动科技成果转化，以量子精密测量为核心技术的国仪量子于2016年成立。两年来，该公司的科学仪器产品已远销美国、德国、瑞士、以色列等国家，今年工业板卡等产品订单合同已接近1亿元，并获批2018年国家重点研发计划 “重大科学仪器设备开发”重点专项。未来三年，他们计划在北京、上海、广州等8个城市设立测试中心，为更多用户提供专业、便捷、精准的量子精密测试服务。

测量技术期待新突破

近日，中科大杜江峰院士团队运用量子技术，首次在室温水溶液环境中探测到单个DNA分子的磁共振谱，从而向运用单分子磁共振研究生物分子在生理环境中的构象和分子间相互作用迈出重要一步。著名期刊《自然·方法》认为：“单分子技术是当代生命科学发展至关重要的一项技术，实现单个DNA分子的探测及其动力学行为研究，将会引起相关领域科学家很大的兴趣。 ”

水溶液环境是生物分子保持生物活性，并进行生命活动所必需的环境。磁共振技术能在溶液环境准确无损地获取物质组成和结构信息，是研究生物分子结构和动力学最有效的工具之一。然而，传统磁共振技术受限于探测灵敏度，无法实现单分子研究。杜江峰院士团队利用钻石中的氮-空位点缺陷作为量子传感器，在绿色激光和特定频率微波脉冲的调制下，形成对磁信号敏感的量子干涉仪，将微弱磁信号放大为量子相位信号，并利用光学手段读出。由于钻石传感器的尺寸在原子量级，可以实现纳米尺度的空间分辨能力，因此可以实现单个分子探测。

今年7月，杜江峰院士团队的另一项成果，同样引起广泛关注。他们创新性地提出一种称之为“时间折叠”的新方法，实现时间分辨率达5皮秒的任意序列发生器，将高精度时间序列发生功能的时间精度首次提升至皮秒量级，将对前沿科技进步起到重要推动作用。国际知名学术期刊《科学仪器评论》发表了该成果。

在过去数十年中，序列发生技术大多采用高速时钟法，这种方法依赖于时钟速度，进一步提升精度难度很大。杜江峰院士团队“时间折叠”的高时间精度序列发生方法，与“时间内插”法相结合，不仅突破了传统的高速时钟法实现序列发生的时间精度上限，得到皮秒量级的序列发生功能，还同时在皮秒尺度改善序列发生的时间线性，保障高质量、高稳定度的序列发生功能。

近年来，杜江峰院士团队持续在量子精密测量领域耕耘，取得了诸多具有世界影响力的科技成果，比如在世界上首次实现室温大气下纳米级分辨率的微波场磁场分量矢量重构测量、在世界上首次实现“既快又准”的时间最优量子控制等。 “超越经典极限的量子精密测量，是我国在第二次量子革命中‘弄潮争先’的重要方面，期待未来不断出现新突破。 ”杜江峰表示，中科院微观磁共振重点实验室将继续在科技创新之路上坚定走下去，做顶天立地的工作，既站在科学最前沿，又使新科技落地、有用，服务于国计民生。

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