蓄势待发的量子传感器

李伟

如何缓解电动汽车车主的“里程焦虑”？如何防止微芯片等元件过热，提高其性能和可靠性？随着材料科技的不断发展，能够精确感测温度、电场和磁场的量子传感器有望得到更为广泛的应用。

量子传感器通过发光显示参数

随着人们对环境保护和气候变化的关注度不断提高，越来越多的人开始选择电动汽车作为出行代步工具。然而，“里程焦虑”成为一些车主的“心病”。

电动汽车电池的电量难以测量，原因是多方面的。例如，电池电压和电流的微小变化都会明显影响电量的测定，尤其对于磷酸铁锂（LiFePO4）电池来说，其放电曲线平缓，电芯电压测量精度难以控制，传感器的任何小幅度误差，都可能导致较大的电量测量误差。又如，电池包通常由几十个电芯组成，其整体性能由最弱的电芯决定。精确测定电池电量，需要对每一个电芯进行实时监控，这对空间布置以及成本控制都提出了极高的要求。再如，电动汽车在运行过程中，由于电池处于持续变化的充放电状态，这就要求传感器能够实时准确地监测这些变化。然而，快速的充放电循环和动态的负载变化，往往超出传感器的快速响应能力。

综上所述，如果能够开发出以较高的精度测量电池电量的传感器，就能解决这些问题，从而更加充分地发挥车载电池的性能。

据《日本经济新闻》报道，日本东京工业大学科学家研发的钻石量子传感器，能够将电动汽车的续航里程增加约10%。该技术可以精确测量电池中储存的电量，从而最大限度地提高车载电池的性能。

钻石凭借其具备的“相干氮-空位”（NV）中心结构、可调节自旋性、磁场敏感性以及在室温下的传导性能，在量子传感器领域备受青睐。钻石本身具有极高的化学稳定性和物理耐用性，是世界上硬度最高、导热性最好的材料，这也使得钻石量子传感器非常适合在恶劣的环境中长期应用。

东京工业大学和汽车零部件生产企业矢崎总业公司，将目光投向钻石量子传感器。他们在钻石的部分结晶中设计出特殊结构，使其在绿色激光的照射下能够发出红色荧光，且根据内部电子的量子状态，荧光的强度会发生变化。受周围电流、磁力、温度的影响，电子的量子状态会发生变化。因此，根据红色荧光的强度就可计算出磁力，从而推导出电流强度，测定电池的电量。

传统传感器以1安培为单位测量电流的强弱，而新开发的这种传感器能以10毫安为单位测定电流，是传统传感器的百分之一。利用这种传感器，能够使电池的充电量更加接近其实际可储存的电量，而不用预留10%的空间，电池的续航里程从而得以延长。

相较于此前已广泛投入应用的超导量子干涉仪，钻石量子传感器具有更高的检測灵敏度与空间分辨率，而且具备操作简单、环境适应性强、应用范围广等多种优势。目前，钻石量子传感器成为国际量子技术的前沿领域。美国、英国、欧盟等国家和地区均将NV中心结构量子调控与量子传感器应用作为重点研发方向。日本矢崎总业公司的目标是：最早于2030年实现钻石量子传感器实用化，面向汽车制造商和零部件制造商供货。虽然目前钻石量子传感器的配套设备体积较大，但通过使用小型半导体等改良方案，未来有望将量子传感器系统的体积缩小到10立方厘米的级别，从而可以作为测定电流的传感器来使用。

不过，量子世界的“巨人”——钻石也并非十全十美。东京工业大学教授波多野睦子表示，钻石量子传感器最大的成本因素就是钻石材料。在量子应用领域，用于制造量子传感器的钻石是人工合成的，这与从矿山开采、用于制造珠宝首饰的天然钻石有很大不同，成本大幅降低。基于成本考虑，她所在的科研团队从一开始就使用低成本线路板，以及从沼气中提炼出的量产型钻石。不过，量子传感器未来仍将面临成本挑战。因为以其独特的性能，应用场景必将大幅拓展。“人工合成钻石毕竟也是钻石。期待未来的技术进步能够带来新材料，从而进一步扩大量子传感器的应用范围。”

据英国《纳米通信》杂志报道，除了成本因素，当量子传感器被用于巨量数据处理时，钻石也显得力不从心。具体来说，当钻石材料的尺寸小到一定程度时，其超稳定的结构就可能破裂。也就是说，钻石材料在量子传感器中的应用是存在极限的。

那么，除了钻石，还有能够适用于量子传感器的材料吗？答案是氮掺杂氮化硼（hBN）。之前研究人员并未意识到hBN作为量子传感器原料和量子信息处理媒介的潜力。最近的一些研究发现了hBN的某些新结构，这些结构可能成为钻石材料NV中心结构的有力竞争对手。其中，硼空位缺陷结构（hBN晶格中的一个单独原子缺失）被认为是最有发展前景的。

光照实验中的量子传感器

量子传感器有望缓解“里程焦虑”

澳大利亚变革性超光学系统卓越研究中心（TMOS）的研究人员，正在采用光激发和电子束照射同步实施的新实验方法，研究hBN中的缺陷结构状态。

《纳米通信》指出，量子传感器比传统传感器具有更高的灵敏度和空间分辨率。随着相关材料科技的不断发展，量子传感器的应用可谓蓄势待发，有望在诸多领域发挥重要作用。对于“工业4.0”和设备微型化来说，精确感测温度、电场和磁场尤其关键，测定的参数对于控制设备来说至关重要。目前，“热管理”是限制微型化设备性能进一步提升的一个重要因素。在纳米尺度上进行精确的量子感测，将有助于防止微芯片等元件过热，提高其性能和可靠性。

量子感测在医疗领域也有应用前景，如检测磁性纳米颗粒和分子。未来它可能被用作一种可注射入人体的诊断工具，搜索癌细胞，或者监测细胞的代谢过程，以跟踪治疗的效果。

编辑：姚志刚    winter-yao@163.com