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量子精密計測：「見えない」を「見える」に変える（科学技術展望）

最近、世界初の商業用低温走査型窒素空孔プローブ顕微鏡が安徽省合肥市で発表されました。この装置は主にナノ材料の表面磁性の検出に使用され、材料科学などの分野に新しい研究手法を提供します。物質物理学、生命科学のツール。この装置は中国企業によって独自に開発されたもので、我が国の量子精密測定技術の工業化発展における新たな突破口となった。量子精密測定とは、エネルギー準位遷移、コヒーレント重ね合わせ、量子もつれなどの量子特性を利用して、測定精度、感度、分解能などの大幅な向上を達成することを指します。たとえば、温度計を使用して人の体温を測定することはできますが、温度計を使用して蚊の体温を測定することはできません。なぜなら、温度計の端は蚊よりも大きく、体温を測定するのが難しいからです。小さな物体を測定するための大きなセンサー。単一の DNA 分子や薬物タンパク質分子など、蚊よりもはるかに小さい物体を測定するには、分子や細胞よりも小さいセンサーが必要です。近年、科学者たちは「ダイヤモンドの欠陥」に基づいた量子センサーを発見しました。このセンサーのセンシングユニットのサイズは、人類が開発できる最小のセンサーの1つと言えます。ダイヤモンドは完璧に見えますが、実際には多くの「欠陥」を持っています。これらの「欠陥」があるからこそ、ダイヤモンドは利用できる特定の特性を示すことができます。たとえば、ダイヤモンド内の隣接する 2 つの炭素原子が窒素原子と空孔で置換されると、得られる構造は非常に優れた光学特性と量子コヒーレンスを示し、科学者はそれをダイヤモンド窒素空孔 (NV) カラーセンターと名付けました。NV カラーセンターは、非常に小さな磁針とみなすことができる優れた量子センサーです。光検出磁気共鳴技術により、研究者はNVカラーセンターを観察できるだけでなく、それを使用して周囲の磁場を測定したり、光とマイクロ波を使用して特定の磁場サイズを読み取ることもできます。窒素イオン注入やアニーリングなどの数十の微細なマイクロ・ナノ加工ステップを経て、研究者らはダイヤモンドNVカラーセンターを人工的に調製し、走査型イメージングに使用できる走査型NVプローブを大量生産することができた。今回研究者らが開発した走査型NVプローブ顕微鏡の商用低温版は、NVカラー中心光検出磁気共鳴技術と原子間力顕微鏡走査イメージング技術を組み合わせた量子精密測定装置であり、高分解能・高感度を実現できる。ナノメートルレベルの高い空間分解能と単一スピンの超高検出感度を備えた、定量的で非破壊的な磁気イメージングです。ダイヤモンド NV カラーセンターに加えて、原子磁力計や原子時計など、量子精密測定には多くの技術的ルートがあります。原子磁力計は、光と原子の相互作用を利用して磁場を検出する技術で、冠状動脈性心疾患や心拍数の異常を検出できます。新世代の原子時計として、光格子時計の誤差は現在わずか 1 秒です。何百億年も。各技術ルートは、アプリケーションのシナリオに応じて独自の機能を発揮します。量子センサーは「ミクロの世界への鍵」として知られています。小さいだけでなく、非常に感度が高く、脳磁気や心臓磁気など、これまで検出できなかった多くの信号を検出でき、神経疾患、冠状動脈性心臓病、その他の疾患の早期診断に使用できます。 。同時に量子精密測定は、新エネルギー分野におけるリチウム電池の漏れ電流検出、エネルギー探査分野における電力網管理、半導体・集積回路分野におけるチップ電流イメージングなど、一部の検出手法にも革新をもたらしています。 。業界では、量子精密計測も量子情報技術分野におけるもう一つの「熟した産業化」の方向性として捉えられており、技術革新がますます活発になっている。近年、世界中で量子計測分野の多くのスタートアップ企業が誕生し、さまざまな応用シナリオを模索し、量子の商用化の進展を推進しています。量子精密測定とは、平たく言えば「見えないもの」を「見えるもの」に変えることです。私たちが知っている世界を氷山にたとえると、氷山の一角に過ぎない水面上にあるものは電流センサーで見ることができ、水面下にあるものは将来の量子精密測定で観測できることになります。量子精密測定は、貴重な情報の「氷山」を掘り出し、人間の認知の限界を継続的に拡大するための強力なツールとなるでしょう。顕微鏡検査で予見されるのは、世界的な技術開発の無限の未来です。（著者は安徽省量子精密測定製造イノベーションセンター所長） 『人民日報』（2024年7月16日17面） #量子精密計測見えないを見えるに変える科学技術展望