“冻结”信号，量子精密测量更稳更准

来源：科技日报
记者：华凌

量子精密测量作为量子科技产业化与实用化的冻结“排头兵”，凭借极致的信号探测灵敏度，在资源勘探、量精量更医疗诊断等领域展现出巨大的密测应用潜力。然而，稳更量子多体系统中由粒子相互作用引发的冻结热化效应，长期被视为阻碍量子传感精度提升与规模化落地的信号“隐形壁垒”。

近日，量精量更中国科学院院士、密测清华大学基础科学讲席教授段路明，稳更清华大学交叉信息研究院长聘副教授邓东灵、冻结助理教授侯攀宇组成的信号科研团队取得重大突破。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，量精量更有效抑制了热化效应，密测为提升量子传感的稳更稳定性与灵敏度开辟了新路径。相关成果已在线发表于国际顶级学术期刊《自然》。

热化效应：压缩量子测量的“时间窗口”

什么是热化效应？

清华大学交叉信息研究院副教授邓东灵形象地解释：量子多体系统由大量具有自旋属性的微观粒子组成，宛如无数枚微型磁针。在理想状态下，粒子有序排列以精准记录信号；但在粒子间持续相互作用下，系统会随时间推移从有序走向无序均衡，这一过程即为热化效应。

热化的危害：信息“抹平”

清华大学助理教授侯攀宇指出，热化的直接后果是损毁量子系统记录的测量信息。这如同墨水滴入清水后扩散均匀，初始信息彻底丢失。在周期性驱动的量子传感系统中，外部设备持续注入能量，加速系统向无特征的高温状态演化，导致原本可捕捉的微弱探测信号被彻底抹平。

核心指标受限

相干时长是衡量量子精密测量性能的核心指标，代表系统保持有序工作的时长。受限于热化效应，传统量子传感系统的有效测量窗口被大幅压缩，精度难以突破，严重制约了超导材料检测、活体细胞观测等前沿场景的应用落地。

破局思路：多体动力学冻结

科学界提出的多体动力学冻结现象，旨在通过施加精准的周期性驱动，使复杂量子系统进入一种有序信息被“保护”的特殊状态，而非加速其混乱。然而，受限于真实实验系统的复杂性与干扰因素，这一现象长期未在大规模真实体系中实现观测，成为全球量子传感领域的科研难题。

实验突破：在大规模固态自旋中实现“冻结”

实验平台：金刚石氮-空位色心

清华大学交叉信息研究院博士后卢亚男详细介绍了实验攻关思路。区别于小规模理论模型，团队立足实用化场景，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。
* 优势：氮-空位色心具备优良的光学性能和自旋特性，高度贴合真实量子传感工作场景，具备极强的落地参考价值。

技术难点：大规模体系的可控化

由近万个粒子组成的固态自旋体系，相互作用复杂且干扰变量极多，实现可控化极具挑战。

解决方案：标准化全局调控

依托金刚石材料化学性质稳定、适配极端环境的优势，团队通过标准化技术手段完成系统操控：
1. 激光初始化与读出：实现自旋系统的初始化与信号读取。
2. 微波场全局驱动：借助精准调控的微波场，对整个体系实施全局周期驱动，使海量相互作用的自旋粒子处于可控状态。

关键成果：相干时长提升一个数量级

经过反复参数调试，团队成功让自旋系综进入稳定的动力学冻结状态。实验数据证实：
* 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。
* 一旦驱动参数偏离标准，系统会迅速热化并丢失信号。

核心机制：涌现守恒量

通过多组对照实验，团队明确了突破的核心原理：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。
* 通俗理解：涌现守恒量是系统在特定外部周期驱动下产生的近似守恒物理量。
* 意义：这是学界首次通过实验证实，涌现守恒量能保护大规模自旋体系的有序量子状态，使系统具备远超常规相干时间的稳定探测响应能力。

性能跃升：磁场灵敏度提升2.7倍

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，大幅强化了对微弱磁信号的探测能力，能够捕捉以往设备无法识别的信号。

应用前景：从基础物理到交叉领域的广泛落地

这项研究不仅实现了基础物理的重要发现，更完成了技术落地突破，将动力学冻结机制成功应用于磁场测量，为行业发展开辟了新路径。

操作优势：简单可控

侯攀宇表示，该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，有效摆脱了传统高精度量子设备操作复杂、难以推广的短板。

应用场景：覆盖前沿交叉领域

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的应用前景：

• 凝聚态物理与材料领域：
• 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。

• 化学与生物医学领域：

• 凭借超高探测精度与稳定性，实现活体细胞内部微观参数观测。
• 精准探测细胞内磁场、温度等物理量变化，为细胞机理研究、生物医药前沿探索提供关键技术支撑。

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