量子探測的案例
關(guān)注：量子探測技術(shù)進展
一、 前言
量子科技的價值日漸體現(xiàn)，量子探測技術(shù)是量子科技的重要方向之一。量子探測技術(shù)是傳統(tǒng)探測技術(shù)和新興的量子科技融合產(chǎn)生的新型探測技術(shù)。主要針對目前傳統(tǒng)探測技術(shù)無法解決的瓶頸問題，例如探測信噪比探測靈敏度限制，探測成像分辨率限制，復(fù)雜環(huán)境探測性能下降的問題，更多維度特征信息的探測獲取等。文中首先綜述了一些現(xiàn)有的前沿量子探測技術(shù)情況，然后介紹了哈工大課題組在量子探測技術(shù)領(lǐng)域的一些典型工作，最后對整個量子探測技術(shù)方向發(fā)展提出的建議。
二、現(xiàn)有的前沿量子探測技術(shù)
現(xiàn)有的前沿量子探測技術(shù)主要包括基于量子偏振的安全量子探測技術(shù)、量子關(guān)聯(lián)成像（即鬼成像）探測技術(shù)、量子照明探測技術(shù)、量子增強激光探測技術(shù)。
展開 飛秒X射線在量子材料動力學(xué)中的探測運用
【引語】
泵浦探測X射線（Pump–probe X- ray）技術(shù)是一項研究材料動力學(xué)的新型工具。它可以直接捕獲瞬態(tài)光誘導(dǎo)的微觀自由度變化。在典型的X射線時間分辨實驗中，材料樣品被強激光脈沖激發(fā)，稱為泵脈沖，引起材料的動態(tài)變化。時間延遲的X射線脈沖通過與材料的相互作用探測其動態(tài)變化，隨后通過檢測器收集散射（或透射）的光束。根據(jù)對硬和軟X射線中光子能量的篩選，可以使用諸如X射線衍射，X射線吸收光譜和共振X射線衍射等技術(shù)獲得有關(guān)材料的原子或電子結(jié)構(gòu)的信息。
光脈沖可以引起固體特性的動態(tài)變化。在量子材料中，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了許多相關(guān)的新現(xiàn)象: 電子相之間的超快轉(zhuǎn)變，鐵電階次的轉(zhuǎn)換和非平衡涌現(xiàn)行為(non-equilibrium emergent behaviors)，光致超導(dǎo)現(xiàn)象等等。研究這些現(xiàn)象需要在超快時間分辨率下對多個微觀自由度進行詳細測量。飛秒X射線技術(shù)為其提供了可能。它可以探測材料的瞬態(tài)結(jié)構(gòu)，電子和磁自由度的動態(tài)。 這篇文章總結(jié)了一系列代表性的實驗研究。
一．鐵質(zhì)材料
超快鐵電轉(zhuǎn)換
由于相反相位電極化所引發(fā)的結(jié)構(gòu)扭曲狀態(tài)和雙穩(wěn)定狀態(tài)，使得鐵電材料具有很大的科學(xué)研究價值和技術(shù)意義。利用這些特性，數(shù)字信息可以存儲在鐵電體中，進而使其用于非易失性信息存儲裝置的研發(fā)。通常，通過施加脈沖電場可以實現(xiàn)鐵電極化的轉(zhuǎn)換。然而，這種鐵電轉(zhuǎn)換是由非相干動力學(xué)和疇界的傳播驅(qū)動的。這使得轉(zhuǎn)換耗時達到數(shù)百皮秒。為了縮短轉(zhuǎn)換時間，科學(xué)家嘗試過通過利用脈沖拉曼散射或直接激發(fā)驅(qū)動鐵電軟模，以實現(xiàn)超高速轉(zhuǎn)換。
科學(xué)家S. Gr¨ubel等人利用單周期太赫茲脈沖直接激發(fā)材料引起晶格振動 并利用超快X射線對Sn2P2S6在其鐵電相中軟模受直接激發(fā)而引起的結(jié)構(gòu)響應(yīng)進行了定量測量。
展開 突破理論極限：我國提出超靈敏納米探測新技術(shù)！
納米粒子或病毒分子的靈敏探測技術(shù)，對環(huán)境監(jiān)控、醫(yī)學(xué)診斷和防恐安全等諸多領(lǐng)域有明顯的實用價值。如，在大氣污染物中，相比微米顆粒（PM2.5），納米懸浮顆粒可穿透人體肺部細胞和血腦屏障，對健康的威脅更大。而目前，靈敏度最高的光學(xué)傳感器可檢測10納米的微粒，已逼近理論極限。
近日，湖南師范大學(xué)教授景輝，提出了一種突破靜態(tài)腔探測理論極限的新方案，利用旋轉(zhuǎn)環(huán)形光學(xué)微腔，可使靈敏度達到目前最好的靜態(tài)腔的3倍，從而探測到更小的納米顆粒。這一結(jié)果日前發(fā)表在美國光學(xué)學(xué)會的旗艦期刊《光學(xué)》上。該工作不僅對靈敏探測技術(shù)有明顯實用價值，也為研究新型旋轉(zhuǎn)腔人工量子器件技術(shù)開辟了道路。
根據(jù)光學(xué)傳感器工作原理，當(dāng)微粒靠近傳感器時會影響其中光的傳播，進而影響光輸出。通過在輸出端探測光學(xué)輸出的變化，就可實現(xiàn)微小粒子的檢測。不過，越小的微粒，引起的光學(xué)輸出變化越弱，越不容易被探測。目前實驗學(xué)家已通過抑制光學(xué)耗散或減小傳感器體積等方法來提高靈敏度，但受光耗散或器件體積不可能無限減小的限制，這些技術(shù)方案存在探測的理論極限。
景輝的這一旋轉(zhuǎn)光學(xué)微腔方案，開拓性地提出了利用相對論薩格納克效應(yīng)，突破靜態(tài)光學(xué)腔量子探測的理論極限。相對于靜止的光學(xué)傳感器，這種不依賴光學(xué)耗散或器件體積，僅依賴機械轉(zhuǎn)速的旋轉(zhuǎn)腔傳感器可顯著增強微粒對光的影響，放大光學(xué)輸出的變化，進而突破量子探測理論極限，實現(xiàn)超高靈敏度探測
來源：科技日報；記者俞慧友
展開 具有高外量子效率和寬光譜響應(yīng)的有機-無機雜化錫基鈣鈦礦光電探測器
有機-無機雜化鈣鈦礦材料具有載流子遷移率高、擴散長度長、暗電流密度低、吸收邊緣鋒利等優(yōu)點, 因而成為用于光電探測的理想材料. 但是, 相對較小的帶隙(1.6 eV)限制了這些材料在近紅外區(qū)的光子捕獲效率.
華南理工大學(xué)馬東閣課題組利用碘甲胺和鉛-錫二元鈣鈦礦作為探測器的光吸收層, 導(dǎo)電聚合物和富勒烯作為空穴和電子傳輸層, 銦錫氧化物和鋁作為陽極和陰極制備了光電探測器件. 文章近期發(fā)表于Science China Materials, 2018, doi:10.1007/s40843-018-9377-3
圖1 有機-無機雜化錫基鈣鈦礦光電探測器的(a)結(jié)構(gòu)，(b ,c)EQE譜，(d)光響應(yīng)度
實驗結(jié)果表明, 當(dāng)錫的含量達到30%時, 探測器的光譜響應(yīng)拓寬到
1000?nm.
此外, 我們制備的探測器的光譜響應(yīng)度達到
0.39?A/W,
歸一化探測率達到
7×10E12?Jones.
器件的外量子效率在350到900 nm范圍內(nèi), 均超過50%, 在550 nm處取得最大值, 超過80%.
Yang Y, Yang D, Ma D et al. Science China Materials, 2018, doi:10.1007/s40843-018-9377-3
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南京大學(xué)劉輝組用光學(xué)芯片模擬宇宙量子相變與時空"破洞"
雖然愛因斯坦廣義相對論成功地描述了宇宙的演化，但是宇宙起源的時空奇點是需要量子力學(xué)來解釋。
因此，為了解釋目前很多觀測的宇宙現(xiàn)象，特別是早期宇宙起源，理論物理學(xué)家采用量子場論模型描述宇宙時空的性質(zhì)，認為宇宙時空像是一種“凝聚態(tài)量子物質(zhì)”，宇宙從大爆炸誕生、演化到現(xiàn)在，隨著溫度的降低，宇宙時空會經(jīng)過一系列量子相變過程，這種相變會導(dǎo)致時空真空場的對稱性破缺，而在宇宙中留下各種拓撲缺陷，例如磁單極子和宇宙弦等。通過探測這些時空的拓撲缺陷，人們不但可以追溯早期宇宙的誕生過程，而且觀測量子引力效應(yīng)和研究時空的本質(zhì)。雖然人們已經(jīng)開始嘗試尋找時空拓撲缺陷，但由于人類太空量子探測技術(shù)的局限，目前尚未成功。另外，基于宇宙時空與凝聚態(tài)物質(zhì)的類比關(guān)系，理論物理學(xué)家提出了變換光學(xué)的方法，主要是在凝聚態(tài)介質(zhì)中通過連續(xù)改變物質(zhì)的屬性，模擬引力場彎曲時空，從而在實驗上檢驗和演示各種彎曲時空中光子態(tài)的演化特性和量子效應(yīng)，例如：光子黑洞、霍金輻射效應(yīng)、宇宙膨脹紅移等。
近些年，南京大學(xué)物理學(xué)院介電體超晶格實驗室的祝世寧、劉輝研究組利用變換光學(xué)芯片，開展了彎曲時空中光子態(tài)演化特性的實驗研究,取得系列成果。最近研究組的盛沖博士制備了一種二維彎曲超材料，實現(xiàn)一種新型的具有軸向旋轉(zhuǎn)對稱的各項異性變換光學(xué)介質(zhì)，旋轉(zhuǎn)對稱中心可以模擬一維時空拓撲缺陷: 宇宙弦(圖一(a))。
圖一 (a)宇宙弦拓撲時空的嵌入圖; (b) 宇宙弦拓撲時空的角度缺損; (c)負質(zhì)量宇宙弦對光線的排斥；(d)正質(zhì)量宇宙弦對光線的吸引。
展開 高溫下長效穩(wěn)定服役的高性能SiC納米帶光電探測器
【引言】
隨著科技的不斷的發(fā)展，探索能在高溫等惡劣條件下穩(wěn)定服役的光電探測器(PD)，是當(dāng)前研究的挑戰(zhàn)之一。常規(guī)硅半導(dǎo)體基PD的工作溫度通常低于125℃，難以滿足上述應(yīng)用。碳化硅(SiC)是第三代半導(dǎo)體，具有寬禁帶、高擊穿場強、高熱導(dǎo)率以及突出的穩(wěn)定性，在研發(fā)高溫、高壓、高功率和高輻射等苛刻工作環(huán)境下服役的光電器件上，優(yōu)勢顯著。此外，與傳統(tǒng)體材料相比，一維納米結(jié)構(gòu)具有近完美的晶體結(jié)構(gòu)、高比表面積以及與其尺寸相當(dāng)?shù)牡掳蓍L度，且其一維結(jié)構(gòu)能夠強化其載流子輸運，有利于構(gòu)筑具有高響應(yīng)度、快速響應(yīng)速度和高外量子效率(EQE)的PD。
【成果簡介】
近日，寧波工程學(xué)院楊為佑教授、北京科技大學(xué)侯新梅教授、復(fù)旦大學(xué)方曉生教授(共同通訊作者)等采用有機前驅(qū)體熱解工藝，合成了B摻雜3C-SiC納米帶，實現(xiàn)了以3C-SiC納米帶光電探測器(PD)的研發(fā)，相關(guān)成果在Adv. Funct. Mater.上發(fā)表了題為“High-Performance SiC Nanobelt Photodetectors with Long-Term Stability Against 300 °C up to 180 Days”的研究論文。該PD在405 nm光激發(fā)下，具有6.37×105 A·W-1的響應(yīng)度和2.0×108%的外量子效率，探測率為6.86×1014 Jones。此外，B摻雜3C-SiC納米帶PD在300℃高溫下180天內(nèi)，展現(xiàn)出良好的長效穩(wěn)定性。
展開 一文了解金剛石半導(dǎo)體
--產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀--
在國際上，相關(guān)產(chǎn)品也只有少量半導(dǎo)體金剛石材料和金剛石探測器產(chǎn)品，尚未形成產(chǎn)業(yè)鏈，代表性企業(yè)有：
一、英國Element
Six（E6）公司，人造金剛石和超硬材料制造領(lǐng)域的國際龍頭企業(yè)，目前全球只有元素六公司出售超高純“電子級”（現(xiàn)稱“量子/探測器級”）單晶金剛石，其價格高、利潤大，且經(jīng)常斷供。
二、奧地利CIVIDEC Instrumentation GmbH公司，其產(chǎn)品采用MPCVD技術(shù)生長高質(zhì)量金剛石，進而制備探測器。
三、美國Applied Diamond公司，相關(guān)產(chǎn)品包括金剛石粒子探測器和金剛石光束位置監(jiān)測儀。
四、美國BNL儀器儀表事業(yè)部，十多年來一直在為各種應(yīng)用開發(fā)高性能金剛石輻射探測器產(chǎn)品。
國內(nèi)CVD單晶以上海征世、寧波晶鉆、沃爾德等企業(yè)為代表，但只能提供寶石級單晶及普通級的單晶襯底，其材料質(zhì)量離滿足半導(dǎo)體應(yīng)用的電子級金剛石仍有較大差距。
國內(nèi)半導(dǎo)體金剛石材料仍處于研發(fā)階段，尚未有產(chǎn)業(yè)化案例。國內(nèi)金剛石半導(dǎo)體材料和器件研究，主要集中在高校以及研究所，包括中科院半導(dǎo)體所、西安電子科技大學(xué)、中科院金屬所、西安交通大學(xué)、北京科技大學(xué)等。
中科院半導(dǎo)體所制備的2英寸異質(zhì)外延金剛石晶圓（左）和深紫外探測器（右）
雖然目前國內(nèi)光學(xué)級、電子級多晶金剛石膜與國際先進水平還存在差距，但國內(nèi)以上團隊開發(fā)的光學(xué)級多晶金剛石膜可滿足紅外／雷達雙模制導(dǎo)窗口、高功率CO2激光加工機窗口及高功率微波窗口的基本應(yīng)用需求。
--市場規(guī)模--
金剛石在熱沉、大功率、高頻器件、光學(xué)窗口、量子信息等領(lǐng)域具有極大應(yīng)用潛力。但半導(dǎo)體金剛石的市場還很小，相關(guān)企業(yè)均在國外，國內(nèi)還沒有半導(dǎo)體金剛石有關(guān)的企業(yè)和產(chǎn)品。
展開 4位研究生共同一作《Nature》！華科綠色照明重要進展
課題組目前研究方向包括硒化銻薄膜太陽能電池、非鉛鈣鈦礦發(fā)光材料與器件、X射線直接與間接探測材料與器件、量子點紅外探測材料與器件。（來源：華中科大、武漢光電國家研究中心）
巨頭爭霸量子計算，誰將成為最后贏家？
很多人都認為，量子計算引發(fā)的興奮之情會成為新一輪炒作周期的起點。但這項技術(shù)的確具備巨大的潛力，所以才需要對其加以重視。傳統(tǒng)計算機以“比特”為單位進行“思考”，對應(yīng)的值不是0就是1。量子位卻具備“疊加態(tài)”，也就是可以同時處于兩種“形態(tài)”。另外一個重要的量子概念是“糾纏”：量子位可以連接，所以一個量子位上的操作會影響被糾纏的量子位，使得它們的處理能力得到并行控制。
第一項功能可以讓計算機具備巨大的內(nèi)存。疊加態(tài)意味著每個量子位的數(shù)據(jù)存儲能力可以翻倍。而64量子位計算機足以存儲18 quintillion的數(shù)字（1 quintillion是1后面跟20個零）。之后可以通過糾纏來實現(xiàn)光速操作。量子位根據(jù)適合某個問題的算法來設(shè)置。系統(tǒng)會一直應(yīng)用量子力學(xué)原則，直到它達到能夠代表答案的那個狀態(tài)。
要做到這一點是極其困難的。雖然研究人員掌握了配置量子位的藝術(shù)，但要讓它們毫無瑕疵地運行仍然難以實現(xiàn)。因為任何的外部影響（例如震動或熱量）都會導(dǎo)致這些精密的設(shè)備丟失1和0的疊加態(tài)，也就是發(fā)生“退化”，所以它們必須完全絕緣（因此就要借助超低溫來放慢原子的移動速度）。
還需要借助其他許多量子位來探測和糾正各種錯誤。由于至少10年內(nèi)似乎無法獲得大量量子位，所以直到最近，研究人員都沒有思考如何將量子計算機應(yīng)用于實踐。但在兩年前，當(dāng)硬件廠商開始開發(fā)具備兩個以上量子位的機器時，這種情況開始發(fā)生變化。
進入Q時代
IBM在2016年引領(lǐng)了這一趨勢，率先推出了5量子位計算機，之后在2017年推出20量子位計算機。該公司在去年11月發(fā)布了最新的“量子處理器”（QPU），總共擁有50個量子位，比英特爾的多出1個。
但這兩款機器都在今年3月被擁有72個量子位的谷歌Bristlecone超過。
展開 量子保密通信應(yīng)用與技術(shù)探討
對于光纖覆蓋最后一公里問題,可以參考量子密鑰在線與離線結(jié)合分發(fā)模式,通過傳統(tǒng)安全技術(shù)實現(xiàn)量子密鑰的延伸。線路衰耗問題,可以通過使用超低損光纖或選擇損耗較低的量子光波長來減小影響。國內(nèi)三大通信運營商都已經(jīng)開始在長途干線上部署超低損光纖以滿足大容量超長距的波分傳輸需求,這對QKD長途干線的建設(shè)部署是利好消息。外部環(huán)境的影響問題,可以通過選擇合適的QKD調(diào)制編碼方式和快速反饋補償機制來減小影響。
3.2 QKD設(shè)備
2021年,通信行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)YD/T 3834.1-2021《量子密鑰分發(fā)(QKD)系統(tǒng)技術(shù)要求 第1部分:基于誘騙態(tài)BB84協(xié)議的QKD系統(tǒng)》和YD/T 3835.1-2021《量子密鑰分發(fā)(QKD)系統(tǒng)測試方法 第1部分:基于誘騙態(tài)BB84協(xié)議的QKD系統(tǒng)》正式發(fā)布,使得DV-QKD設(shè)備的關(guān)鍵指標(biāo)參數(shù)和測試方法有了參考依據(jù)。同時可以看到,DV-QKD系統(tǒng)技術(shù)要求中QKD設(shè)備在10/20 dB線路跨段損耗下的平均密鑰成碼率要求≥3 kbit/s、量子光脈沖重復(fù)頻率要求≥10 MHz/100 MHz、單光子探測器探測效率要求≥10%等,這些技術(shù)指標(biāo)要求相對較低,但與當(dāng)前商用QKD設(shè)備的技術(shù)水平基本一致;DV-QKD系統(tǒng)測試方法對測試環(huán)境和儀表提出了較高要求,給設(shè)備檢測及用戶采購測試帶來一定的技術(shù)門檻。CV-QKD的通信行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《量子密鑰分發(fā)(QKD)系統(tǒng)技術(shù)要求 第2部分:基于高斯調(diào)制相干態(tài)協(xié)議的QKD系統(tǒng)》《量子密鑰分發(fā)(QKD)系統(tǒng)測試方法 第2部分:基于高斯調(diào)制相干態(tài)協(xié)議的QKD系統(tǒng)》則剛剛完成立項,現(xiàn)有CV-QKD設(shè)備在成熟度、性能指標(biāo)、應(yīng)用案例等方面與DV-QKD設(shè)備尚存在一定差距。
展開 世界航空技術(shù)發(fā)展報告
（2）美國和奧地利在新型探測技術(shù)方面取得突破
2020年5月，奧地利科學(xué)技術(shù)研究所（Institute of Science and Technology Austria，IST）對一臺采用量子糾纏作為目標(biāo)探測方法的量子雷達原型機進行了驗證。該原型機也稱為量子雷達，能夠在嘈雜的熱環(huán)境中檢測物體。這種新型探測技術(shù)稱為微波量子照射技術(shù)，其探測原理與普通雷達相同，但使用了糾纏的光子作為探測手段，可用于超低功耗生物成像等應(yīng)用領(lǐng)域。
2020年10月，由諾斯羅普·格魯曼公司承擔(dān)的“以太間諜”（Aether Spy）下一代多功能雷達項目順利完成系統(tǒng)需求評審并進入設(shè)計階段，標(biāo)志著該項目達到了關(guān)鍵技術(shù)節(jié)點。該雷達采用先進微電子技術(shù)和多功能寬帶數(shù)字有源電子掃描陣列（Active Phased Array Radar，AESA）技術(shù)，能夠同時執(zhí)行探測、通信和電子戰(zhàn)任務(wù)。
（3）美國、日本和英國分別開展先進飛行控制技術(shù)研究
2020年，主動流動控制技術(shù)和自主飛行控制技術(shù)成為飛行控制技術(shù)的發(fā)展熱點。美國、日本和英國均在該技術(shù)領(lǐng)域展開研究工作。在主動流動控制技術(shù)研究方面，
2020年，DARPA投入1300萬美元推進“用新型效應(yīng)器的革命性航空器控制”（Control of Revolutionary Aircraft with Novel Effectors，CRANE）研究項目。該項目于2019年啟動，旨在圍繞主動流動控制技術(shù)設(shè)計新型飛機，并驗證主動流動控制技術(shù)的效果以及在飛機成本、重量、性能和可靠性方面的改進影響。
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