量子精密測量是量子科技賽道中距離產業化、實用化最近的領域之一。憑借超高的探測靈敏度，量子精密測量在資源勘探、醫療診斷等場景中擁有廣闊應用空間。然而，長久以來，量子多體系統中由粒子間相互作用引發的熱化效應，如同無形壁壘，持續制約著量子傳感的測量精度、信號穩定性，也成為阻礙其走出實驗室、實現規模化落地應用的核心瓶頸。
中國科學院院士、清華大學基礎科學講席教授段路明，清華大學交叉信息研究院長聘副教授鄧東靈、助理教授侯攀宇組成的科研團隊取得突破。他們首次在大規模固態自旋體系中觀測到多體動力學凍結現象，其有效抑制了熱化效應，為提升量子傳感穩定性和靈敏度提供新路徑，有利于推動量子傳感技術進一步走向實用化。相關成果日前在線發表于國際學術期刊《自然》。
熱化效應縮小測量窗口
什么是熱化效應？鄧東靈解釋：“量子多體系統由大量微觀粒子組成，每個粒子都帶有自旋屬性，就好像自帶無數枚微型磁針。正常狀態下，粒子保持有序排列，能夠精準記錄探測信號，但粒子之間會持續發生相互作用，隨著時間推移，系統原本有序的狀態會逐漸消失、趨于無序均衡，這一過程就是熱化效應。”
“熱化最直接的危害，就是損毀量子系統記錄的測量信息。”侯攀宇說，這就如同墨水滴入清水后最終完全擴散均勻，初始信息徹底丟失。在周期性驅動的量子傳感系統中，熱化問題會被進一步放大。外部設備持續驅動工作時，會不斷向量子系統注入能量，系統很快變成無特征的高溫狀態，原本可捕捉的微弱探測信號會徹底被抹平。
相干時長是量子精密測量的核心指標，代表系統保持有序、有效工作的時長。傳統量子傳感系統的相干時間受熱化效應限制，有效測量窗口被大幅壓縮。熱化效應帶來的性能局限讓量子傳感精度難以提升，極大限制了超導材料檢測、活體細胞觀測等前沿場景的應用落地。
那么，如何抑制熱化效應呢？科學界提出了多體動力學凍結現象，它是指通過對復雜量子系統施加精準的周期性驅動，不但不會加速其混亂，反而能讓它進入一種有序信息被“保護”起來的特殊“凍結”狀態。
團隊成員、清華大學博士袁冬介紹，受限于真實實驗系統的復雜性和諸多干擾因素，這一物理現象始終未能在大規模真實體系中實現觀測，成為困擾全球量子傳感領域多年的科研難題。
實現動力學凍結狀態
研究團隊的核心突破，在于攻克了真實體系下的實驗難題，首次在大規模固態自旋體系中捕捉到多體動力學凍結現象，并探明了其核心作用機制。
談及實驗攻關思路，團隊成員、清華大學交叉信息研究院博士后盧亞男詳細還原了實驗全過程。區別于小規模理論實驗，此次研究立足實用化場景，選取金剛石內近萬個氮—空位色心電子自旋搭建大規模實驗平臺。“氮—空位色心具備優良的光學性能和自旋特性，是量子傳感領域的重要實驗平臺。該實驗體系高度貼合真實量子傳感的工作場景，成果具備極強的落地參考價值。”盧亞男說。
此次實驗最大的難點在于大規模真實體系可控化。小規模模型實驗容易規避干擾，但由近萬個粒子組成的固態自旋體系，相互作用復雜、干擾變量極多。
依托金剛石材料化學性質穩定、能夠適配極端環境的天然優勢，團隊通過標準化技術手段完成了系統操控：利用激光實現自旋系統的初始化與信號讀出，借助精準調控的微波場對整個體系實施全局周期驅動，讓海量相互作用的自旋粒子處于可控的實驗狀態中。
經過反復參數調試，團隊成功讓自旋系綜進入了穩定的動力學凍結狀態。實驗數據真實印證了這一全新物理現象：在特定參數條件下，系統磁化量可穩定維持約200個驅動周期，系統相干時長相比傳統技術提升了一個數量級。反之，一旦驅動參數偏離凍結標準，系統會立刻快速熱化、丟失有序信號。
通過多組對照實驗，團隊最終明確了這一突破的核心原理：周期驅動誘導產生的涌現守恒量，是抑制量子系統熱化的關鍵機制。
涌現守恒量可以通俗地理解為一個系統在特定外部周期驅動條件下，產生的一個近似守恒的物理量。這也是學界首次通過實驗證實，涌現守恒量可以保護大規模自旋體系的有序量子狀態，讓系統能夠遠超常規相干時間，持續保持穩定的探測響應能力。
實測數據顯示，相較于傳統技術方案，新研發的動力學凍結傳感方案，使磁場測量靈敏度提升了約2.7倍，對微弱磁信號的探測能力得到大幅強化，可捕捉以往設備無法識別的微弱信號。
擁有廣闊交叉應用前景
新研究不僅是基礎物理領域的重要發現，更實現了技術落地突破，將動力學凍結機制成功應用于磁場測量，讓量子傳感性能實現了質的飛躍，為行業發展開辟了新路徑。
“這套方案僅需對自旋體系進行全局統一調控，無需單獨操控每一個粒子，操作流程簡單、可控性強，擺脫了傳統高精度量子設備操作復雜、難以推廣的短板。”侯攀宇說。
依托金剛石自旋體系耐高溫、耐高壓、適配極端復雜環境的特性，這項全新量子傳感技術擁有廣闊應用場景，可廣泛覆蓋多個前沿交叉領域。
在凝聚態物理與材料領域，該技術可用于超導材料、鐵磁材料的高精度磁性檢測，助力新型功能材料研發，為高端量子材料、超導器件的科研攻關提供精準探測工具。
在化學與生物醫學領域，憑借超高的探測精度與穩定性能，該技術可實現活體細胞內部微觀參數觀測，精準探測細胞內磁場、溫度等物理量的變化，為細胞機理研究、生物醫藥前沿探索提供技術支撐。
