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《德国于利希研究中心（Forschungszentrum Jülich）与韩国基础科学研究所（IBS）量子纳米科学中心（QNS）合作，开发出世界首个原子级量子传感器》

  • 编译者： 李晓萌
  • 发布时间：2024-08-20

  • 近日，在一项科学突破中，来自德国于利希研究中心（Forschungszentrum Jülich）和韩国基础科学研究所（IBS）量子纳米科学中心（QNS）的一个国际研究小组开发了一种能够检测原子长度尺度微小磁场的量子传感器。这项开创性的工作实现了科学家们长期以来的梦想：一种类似核磁共振成像(MRI)的量子材料工具。

    研究团队在QNS进行实验时利用了Jülich小组的自下而上单分子制造的专业知识，利用韩国团队的尖端仪器和方法知识，为原子世界开发了世界上第一个量子传感器。

    一个原子的直径比最厚的人类头发小一百万倍。这使得可视化和精确测量原子产生的电场和磁场等物理量变得极具挑战性。为了从单个原子中感知这种弱场，观测工具必须高度灵敏，并且与原子本身一样小。

    量子传感器是一种利用量子力学现象（如电子的自旋或量子态的纠缠）进行精确测量的技术。在过去几年中，已经开发了几种类型的量子传感器。虽然许多量子传感器能够感测电场和磁场，但人们认为不能同时掌握原子尺度的空间分辨率。

    提高分辨率的新方法

    新型原子尺度量子传感器的成功在于使用了一个分子。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的缺陷。由于这些缺陷只有在深深嵌入材料中时才能发挥其特性，因此能够感知电场和磁场的缺陷将始终与物体保持相当大的距离，使其无法在单个原子的尺度上看到实际物体。

    研究小组改变了方法，开发了一种使用单个分子来感测原子的电学和磁学性质的工具。分子附着在扫描隧道显微镜的尖端，可以带到实际物体的几个原子距离内。

    突破性潜力

    正如QNS负责该项目的PI Yujeong Bae所指出的那样，“观察和研究物质的工具革命源于积累的基础科学。正如Richard Feynman所说，‘底层空间很大’，在原子水平操纵技术的潜力是无限的。”Jülich的研究小组负责人Temirov教授补充道：“看到我们在分子操纵方面的长期工作如何导致了一个创纪录的量子器件的构建，这令人兴奋。”

    研究结果发表在《Nature Nanotechnology》期刊上。这种原子尺度量子传感器的开发标志着量子技术领域的一个重要里程碑，预计将对各个科学学科产生深远影响。

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  • 《日本冈山大学的研究人员开发出可用于生物成像和量子传感应用的高品质纳米金刚石》
    • 编译者：张宇
    • 发布时间：2025-02-11
    • 近日，日本冈山大学的研究人员新开发的纳米金刚石在生物成像应用中展现出强荧光效果和高质量的自旋特性。研究人员开发了具有氮空位（NV）中心的纳米金刚石传感器，为量子传感和生物成像提供了卓越的亮度和自旋特性。这些纳米金刚石的性能超越了现有商业产品，运行所需的能量减少了20倍，保持量子态的时间延长了11倍。对磁场和温度的灵敏度增强，可实现精确的探测应用，包括疾病检测、电池分析和电子产品的热管理，这标志着纳米技术驱动的量子传感在生物和工业创新方面取得了重大进展。 量子传感是一个快速发展的领域，它利用粒子的量子态（如叠加、纠缠和自旋态）来检测物理、化学或生物系统的微小变化。一种很有前途的量子纳米传感器是配备氮空位（NV）中心的纳米金刚石（NDs）。这些中心是通过在金刚石结构中用氮替代碳原子靠近晶格空位来创建的。当被光激发时，氮空位（NV）中心会发射出保持稳定自旋信息的光子，并且对磁场、电场和温度等外部影响敏感。这些自旋态的变化可以通过光学探测磁共振（ODMR）来检测，ODMR可以测量微波辐射下的荧光变化。具有NV中心的NDs具有生物相容性，并且可以设计成与特定的生物分子相互作用，使其成为生物传感的宝贵工具。然而，用于生物成像的NDs通常比大块金刚石具有更低的自旋质量，导致测量的灵敏度和准确性降低。 日本冈山大学的研究人员在近期的研究中取得了突破性进展，开发出亮度足以用于生物成像的纳米金刚石传感器，其自旋特性可与大块金刚石相媲美。该研究由冈山大学的研究教授Fujiwara领导，与住友电气公司和美国国立量子科学技术研究所合作完成。 “这是具有极高质量自旋的量子级NDs的首次演示，标志着该研究领域期待已久的突破性进展。这些NDs具有量子生物传感和在其他高级应用中备受追捧的特性，“Fujiwara教授说。 目前用于生物成像的纳米金刚石传感器（NDs）面临两个亟待解决的问题：首先，高浓度的自旋杂质会扰乱氮空位（NV）的自旋态；其次，是表面的自旋噪声，会对自旋态的稳定性造成更加严重的影响。为了克服这些挑战，研究人员专注于生产杂质极少的高质量金刚石。他们培育出富含99.99%的12C碳原子的单晶金刚石，然后引入一定量的氮（30-60ppm）以创建约1ppm的NV中心。最后将金刚石粉碎成纳米金刚石并悬浮在水中。 新培育出的纳米金刚石平均尺寸为277纳米，并含有0.6-1.3ppm的负电荷NV中心。它们呈现出强烈的荧光效果，光子计数率高达1500kHz，这使其非常适用于生物成像应用。与目前市场上的大型纳米金刚石相比，这些新培育出的ND呈现出更强的自旋特性。它们仅需要减少了10-20倍的微波功率即可获得3%的ODMR对比度，并减少了峰分裂，表现出明显更长的自旋弛豫时间（T1 = 0.68 ms，T2 = 3.2 μs），比Ib型ND长6到11倍。这些改进表明ND具有稳定的量子态，可以用低微波辐射准确的检测和测量，从而最大限度地降低微波诱导细胞毒性的风险。 为了评估它们在生物传感方面的潜力，研究人员将ND引入HeLa细胞，并使用ODMR实验测量了其自旋特性。实验中的ND足够亮，可以被清晰地观测，并且尽管受到布朗运动（细胞内纳米金刚石的随机运动）的一些影响，仍然产生了狭窄、可靠的光谱。此外，ND 能够检测到微小的温度变化。在大约300K到308K的温度下，ND表现出不同的振荡频率，呈现出0.28K/√Hz的温度敏感性，明显优于裸露的Ib型ND。 凭借这些先进的传感能力，该传感器在各个领域都具有多种应用潜力，从用于早期疾病检测的细胞生物传感到监测电池健康，以及提高能源效率电子设备的热管理和性能。“这些进步有可能改变医疗保健、技术和环境管理，提高生活质量，并为未来的挑战提供可持续的解决方案，”Fujiwara教授说。 该项目的研究成果已于2024年12月16日发表在《ACS Nano》期刊中。（DOI: 10.1021/acsnano.4c03424）
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  • 《美国费米国家加速器实验室（FNAL）超导量子材料和系统中心（SQMS）研究人员在传输量子比特研究方面取得进展》
    • 编译者：李晓萌
    • 发布时间：2024-06-12
    • 近日，美国能源部费米国家加速器实验室超导量子材料与系统中心的科学家和工程师，?已经以0.6毫秒的记录值实现了超导transmon量子位寿命的可重复改进。这一结果是通过一种创新的材料技术实现的，该技术消除了器件中的一个主要损耗源。 这些结果已发表在《Nature Partner Journal Quantum Information》期刊上。 量子器件如量子位对于存储和操纵量子信息至关重要。量子位的寿命，即相干时间，决定了在错误发生之前数据可以存储和处理多长时间。这种现象被称为量子退相干，是操作量子处理器和传感器的关键障碍。 这种被称为“表面封装”的新工艺在制造过程中保护量子位的关键层，并防止在这些器件的表面和界面形成有问题的“有损”氧化物。通过仔细研究和比较各种材料和沉积技术，SQMS研究人员研究了不同的氧化物，这些氧化物可以延长量子位的寿命，减少损耗。 费米实验室的高级科学家、SQMS中心量子技术推进负责人Alexander Romanenko说：“SQMS正在突破量子位性能的极限。”。“这些努力表明，对工艺和材料进行系统审查，并首先解决最重要的问题，是推动量子位相干性的关键。追求器件制造和表征，与材料科学携手合作，是深化我们对损耗机制的科学理解，并在未来改进量子器件的正确方法。” 量子位最大的障碍：相干时间 量子位有很多种类型。量子计算机的这些基本构建块处理信息的方式与经典计算机不同，而且可能更快。量子位存储量子信息的时间越长，它在量子计算机中的应用潜力就越大。 自2020年成立以来，SQMS研究团队一直致力于了解transmon量子位中误差和退相干的来源。这种类型的量子位在由衬底（如硅或蓝宝石）顶部的金属铌层组成的芯片上图案化。许多人认为这些超导量子位是量子计算机最先进的平台。美国和世界各地的科技公司也在探索它们。 然而，科学家们仍然必须克服一些挑战，量子计算机才能实现他们解决以前无法解决的问题的承诺。用于创建这些量子位的材料的特定特性可能导致量子信息的退相干。在SQMS，对这些特性和损失缓解策略进行更深入的科学理解是一个活跃的研究领域。 为了使量子位使用寿命更长，请关注材料 研究transmon量子位损耗的SQMS科学家指出，铌表面是罪魁祸首。这些量子位是在真空中制造的，但当暴露在空气中时，铌表面会形成氧化物。尽管这个氧化物层很薄——只有大约5纳米——但它是能量损失的主要来源，并导致更短的相干时间。 Romanenko说：“我们之前的测量表明，铌是这些量子位的最佳超导体。虽然金属损耗接近零，但铌表面氧化物是有问题的，也是这些电路损耗的主要驱动因素。”。 SQMS的科学家们建议在制造过程中对铌进行封装，使其永远不会暴露在空气中，因此不会形成氧化物。虽然他们对哪种材料最适合封盖有一个假设，但确定最佳材料需要进行详细研究。因此，他们用不同的材料，包括铝、钽、氮化钛和金，系统地测试了这项技术。 每次尝试覆盖层时，SQMS的科学家都会在费米实验室、埃姆斯国家实验室、西北大学和坦普尔大学的材料科学实验室使用几种先进的表征技术分析材料。量子比特的性能是在费米实验室SQMS量子车库的稀释冰箱内测量的。这种低温设备将量子位冷却到绝对零度以上一点点。结果表明，与没有覆盖层（包含氧化铌层）的样品相比，研究人员可以制备出相干提高2到5倍的量子位。 研究小组发现，封端过程提高了研究中探索的所有材料的一致性时间。在这些材料中，钽和金被证明是实现更高相干时间的最有效材料，平均相干时间为0.3毫秒，最大相干时间高达0.6毫秒。这些结果进一步揭示了这些量子位中损耗的性质、层次和机制。发现它们是由非晶氧化物和界面的存在所驱动的。 “在制造量子位时，有许多或多或少隐藏的变量会影响性能，”费米实验室的科学家、SQMS纳米制造小组和工作组负责人Mustafa Bal说。“这是第一次在不同的制造设施中，在固定几何形状的芯片上，一次非常仔细地比较一种材料变化和一种工艺变化。这种方法确保了我们开发出可重复的技术来提高量子位的性能。” 连贯时间：我们已经走了多远 作为SQMS中心国家纳米制造工作组的一部分，这些团队在不同的设施中制造和测试量子位。费米实验室领导了由Bal领导的SQMS纳米制造小组，在芝加哥大学普利兹克纳米制造厂制造量子位。其他设施包括拥有量子铸造厂的量子计算公司Rigetti Computing和美国国家标准与技术研究所博尔德实验室。两者都是SQMS中心的旗舰合作伙伴。在Rigetti的商业铸造厂制造芯片证明，该技术易于在行业中复制和扩展。 Rigetti计算机公司量子系统高级副总裁Andrew Bestwick表示：“在Rigetti计算公司，我们希望制造尽可能好的超导量子位，以制造尽可能最好的量子计算机，而以可复制的方式延长量子位的寿命一直是最困难的问题之一。”。“这是该领域能够在二维芯片上实现的领先的transmon相干时间之一。最重要的是，这项研究以对量子位损耗的科学理解为指导，从而在不同实验室和我们的制造设施中实现了再现性。” 在NIST，科学家们对使用量子技术对光子、微波辐射和电压进行基本测量感兴趣。“这是一个伟大的团队努力，也是一个很好的旗帜，它表明了我们已经走了多远，也表明了我们仍然面临的挑战，”NIST物理学家Peter Hopkins说，他领导着超导电子小组，也是SQMS中心国家纳米制造工作组的主要成员。 在这项工作之后，SQMS的研究人员继续进一步推动量子位的性能前沿。下一步包括设计创造性和稳健的纳米制造解决方案，将这项技术应用于其他transmon量子位表面，以消除这些器件中存在的所有损耗界面。在其上制备这些量子位的底层衬底也代表了下一个主要的损耗源。SQMS的研究人员已经在努力研究和开发适合量子应用的更好的硅片或其他低损耗衬底。 此外，SQMS的科学家们正在努力确保相干研究的这些进展能够在具有几个互连量子位的更复杂的芯片架构中得到保留。 SQMS量子技术路线图 鉴于SQMS中心合作的广度，该中心的愿景和使命是多重的。研究人员试图提高量子计算机构建块的性能，并将这些创新应用于量子处理器的中型原型中。 在SQMS，两个主要的超导量子计算平台正在探索中：基于2D传输量子比特芯片和基于3D腔的架构。对于基于芯片的处理器，SQMS研究人员与Rigetti等行业合作伙伴携手合作，以提高这些平台的性能和可扩展性。 目前，来自费米实验室和里盖蒂的SQMS研究人员已经联合开发了一种9量子位处理器，该处理器融合了这些表面封装的进步。该芯片正在费米实验室的SQMS量子车库中安装。它的表现将在未来几周内进行评估和基准测试。 对于基于3D腔的平台，费米实验室的科学家们一直在努力将这些量子位与超导射频腔集成。科学家们最初为粒子加速器开发了这些空腔，费米实验室在制造世界上最好的SRF空腔方面积累了数十年的经验，证明了光子寿命长达2秒。当与transmon量子位结合时，这些腔也可以用作量子计算平台的构建块。这种方法有望实现更好的一致性、可扩展性和量子位连接性。到目前为止，费米实验室的科学家已经在这些腔-量子位组合系统中实现了长达几毫秒的相干。 Romanenko说：“我们知道如何制造世界上最好的空腔，但费米实验室正在建设的3D平台的成功在很大程度上也取决于我们能在多大程度上提高这些用于控制和操纵空腔中量子态的传输量子比特的性能。”。“所以，这有点一举两得。在我们推动转型3D技术的同时，我们还与业界合作，在基于2D芯片的量子计算平台上取得重要进展。” 超导量子材料与系统中心是美国能源部五个国家量子信息科学研究中心之一。SQMS由费米国家加速器实验室领导，由30多个合作机构——国家实验室、学术界和工业界——共同努力，在量子信息科学领域取得变革性进展。该中心利用费米实验室在建造复杂粒子加速器方面的专业知识，以最先进的量子位和超导技术为基础，设计多量子位量子处理器平台。SQMS将与嵌入式行业合作伙伴携手合作，在费米实验室建造一台量子计算机和新的量子传感器，这将带来前所未有的计算机会。
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