谁赢得了量子科技，谁就赢得下一个100年！
谁赢得了量子科技，谁就赢得下一个100年，作为又一个不亚于“芯片”的重要领域，中美日等国在这一赛道激烈竞逐，美国虽遥遥领先，但中国也初步有效突破，成为唯二在这一领域实现“量子优越性”的国家。在量子科技这个奔腾的赛道上，全球产业发展格局如何？中国领头企业选择了何种成长模式？其与美国等领先企业差距在哪儿，发展的主要掣肘是什么……
量子科技的爆发
作为不可分割的最小能量单位，量子的世界令人着迷。
2020年成为量子技术投资爆发的节点，全球投资总额跳升3倍至9.2亿美元，各国开始探索量子技术在金融、制药、AI等领域的现实应用。目前，仅量子计算领域，全球创业公司已有80多家。未来，一旦量子计算的超强算力在实业领域落地，将彻底改变众多产业的发展格局。据波士顿咨询公司预测，到2030年，量子计算市场规模有望达到500多亿美元，发展空间广阔。
而当下，在技术发展、政策重视的加持下，量子技术已开始走出实验室，探索在各领域的现实应用，量子计算、量子通信和量子测量三大领域的投资与创业迅速升温。尤其是量子精密测量与计算，处于产业化应用的前夕，在各大科技巨头和初创公司的探索、演绎和推进下，一切似乎逐渐变得有迹可循。
后摩尔时代，芯片准确测试
近年来，随着军用航空航天、5G技术、卫星通信、医学检测、汽车电子等应用领域的蓬勃发展，微波毫米波技术因其频谱宽、可靠性高、方向性好、波长短等优点受到人们的青睐，微波毫米波器件的产生也推动了半导体市场快速增长。
集成电路己经成为电子工业发展的重要组成部分，随着大规模及超大规模集成电路产业的发展，其发生了显著的变化。尤其是进入后摩尔时代后，深亚微米技术的进步推动了集成电路复杂性的爆炸性增长，芯片等高集成度电路的工作频率越来越高，最小线宽不断缩小，制造工艺、加工精度也不断地提升，整个系统逐渐小型化、微型化。
芯片测试作为芯片设计生产过程的最后一个环节，为保证芯片的功能正常性与性能指标的准确性，起着非常重要的作用，但是芯片测试与失效分析技术发展的速度远赶不上芯片设计与制造工艺发展的速度。
图1：芯片测试（来源于网络）
传统的芯片微波近场测量一般利用金属开放式波导，由于金属探头会对待测微波磁场产生干扰，且探头本身尺寸相较于芯片的微米级布线来说较大，难以进入器件内部，故无法满足高分辨率、非破坏性的矢量微波近场测试要求，无法满足晶圆级电磁兼容测试需求，从而导致高端芯片研发周期拉长，成本激增。因此开发一种全新的芯片表面微波磁场矢量测量技术至关重要。
量子精密测量技术
精密的测量技术可以为发现新科学提供机遇，为其他技术发展提供强有力的支持。近年来，随着实验控制精度的不断提高，人们已经能够构筑一些新型微观纳米尺度的材料甚至是单量子态体系和复杂的量子结构。测量手段也逐渐从大系综的统计平均测量向直接获取单量子信息的水平迈进。这方面的研究以及它与信息、材料、能源和化学学科的交叉发展孕育着重大的科学突破。自旋磁共振技术是目前为止发展最为成熟、应用最广泛的传统测量技术之一，结合新兴的量子调控技术，有望成为未来走向微观物质探测的重要手段。
由于磁矩产生的磁场强度随距离三次方衰减, 所以测量探头距离被测自旋越远, 对探头的测量敏度要求越高。目前为止，人们探测磁场信号的手段主要有霍尔探头、传统磁共振、超导干涉仪、原子气单元、力探测磁共振、NV色心等。
图2：各个技术的测磁灵敏度和空间分辨率（来源：doi:10.1360/N112013-00066 ）
探测单个电子自旋需要1玻尔磁子的灵敏度(1µB对应的线)，而探测单个质子则需要将灵敏度提升103(如图中虚线所示)。可以看到，NV色心是目前为止最接近单核自旋探测目标的测磁手段。
金刚石中的氮–空位(nitrogen-vacancy，NV)色心是目前最成功的单自旋磁共振体系之一。其室温下优异的光读出、极化性质，毫秒量级的相干时间，使得NV色心成为实现量子信息处理和量子精密测量的重要平台。自2008年德美科学家提出室温下纳米尺度的磁场成像方案以来，NV色心在量子精密测量领域进展迅速。利用NV色心作探头，将其制成量子干涉仪，纳米尺度下磁场、电场、温度的测量都已成功实现。尤其是在测磁学上，随着测量精度的不断提高，实现体外单核自旋的读出指日可待，届时实现的可探及表面以下的无破坏单分子成像技术，必将给生命、化学、材料等领域带来深远的影响。
金刚石NV色心
NV色心是金刚石中由替换碳原子的氮原子(Nitrogen)与其相邻空位(Vacancy)构成的一种具有荧光特性的缺陷，能够感知芯片表面的磁场强弱，能提供高达纳米级的分辨率，具有体积小、退相干时间长等特点。金刚石晶格的费米能级决定了 NV 倾向于处在中性(NV0) 或负电性(NV-) 状态。由于 NV- 激光下独特的自旋依赖的弛豫性质, 使其可以很方便地在室温下完成自旋极化和读出, 因此在量子计算、调控和量子测量领域倍受青睐。
NV色心在正常环境下具有相对较长的自旋寿命，可以使用绿色激光将其偏振以及进行光学读取，并且可以通过由脉冲控制的微波场对自旋子能级进行操纵。
图3：金刚石NV色心（来源于网络）
NV色心的结构具有C3v对称性，其两个不成对电子态在基态(3A2)和激发态(3E)是自旋三重态(S=1)，其自旋能级有ms=0, ±1。在自旋守恒的激光激励下，激发态ms=0自发地回到基态ms=0，然而ms=±1的状态有两条可能的衰变路径，其中一条是通过辐射跃迁到ms=±1状态，或非辐射的通过系统间交叉效应到ms=0状态。在后一种情况下有30%的概率，ms=±1的激发态首先衰减为亚稳态的单重态，然后衰减为基态ms=0。由于自旋相互作用，在室温下NV色心的基态在ms=0和ms=±1态之间具有2.87GHz的零场分裂。
NV色心在空间中具有矢量敏感特性，沿着NV轴方向的静磁场与垂直于NV轴平面的极化电磁场都会影响NV色心的荧光特性。当施加外部磁场时，通过塞曼效应提升ms=±1自旋态的简并性，表现在ODMR谱上为共振峰值距离被拉大。根据金刚石的正四面体原子结构可知，具有多个NV色心的金刚石颗粒中共有4种不同固定方向的NV色心，因此可以进行静磁场以及微波场的矢量测量。
通过调整外部磁场和四个晶体NV轴的相对取向，可以通过光学检测磁共振技术观察到基态中的总共八个微波偶极跃迁。ms=0态和ms=+1态或ms=-1态之间的跃迁是磁偶极子跃迁，构成了一个量子二能级体系，共振微波磁场在布洛赫球面上驱动闭环Rabi循环。相对下，传统的微波近场测量使用是金属开放式波导，无法满足高分辨率的微波近场的测量需求，而基于金刚石NV色心的光学性质和矢量敏感特性，其在微波器件性能表征方面起着重要的作用。
独创：锥形光纤金刚石NV色心探头
针对这一产业技术需求，南京邮电大学杜关祥教授提出了基于量子传感原理的电磁场测量方法，独创了锥形光纤金刚石NV色心探头，研制了晶圆级电磁兼容测试原型机，攻克了多项关键技术难题：微米尺寸金刚石NV色心晶体荧光微弱、光纤荧光收集效率低、 高信噪比快速测量困难、随机取向的金刚石晶体工作频率调谐困难。这一技术在晶圆级电磁兼容设计和测试、良品筛查和芯片设计阶段有重要应用价值，是一种芯片多物理场传感技术。
杜关祥 教授
南京邮电大学、昆腾（南京）精密科技有限公司
报告题目：基于量子传感的晶圆级电磁兼容测试技术
杜关祥教授，南京邮电大学通信与信息工程学院教授，长期从事实用化量子精密测量技术和仪器仪表研究。他创造性地将量子精密测量实验技术应用到比较传统的电磁场测量领域，解决了微弱光电信号处理的难题，国际上首创了亚微米分辨光纤微波磁场探头技术，并将其应用到晶圆级芯片电磁兼容测试上，展示了重要的应用价值。他所研究的电磁场探头原理新颖，分辨率可达亚微米，工作频率拓展至毫米波、太赫兹频段。他提出并发展的这一全新技术不仅可以测量电磁场，还可以测量温度和电场等物理量，在芯片热点成像上有重要应用价值，是一种原理新颖的多物理量传感技术，相关研究获得两项中国发明授权专利。他初创的企业荣获第十届中国创新创业大赛江苏赛区优秀企业称号。
单自旋量子调控技术与量子计算
量子计算是一种遵循量子力学规律进行高速运算、存储、处理信息的新型计算。与传统计算机相比，量子计算机具有天然的量子并行计算能力，存储能力强，运算速度快，将带来现有计算能力质的飞跃。在新一轮信息科技革命和产业革命的背景下，量子计算已成为世界各国抢占经济、军事、安全、科研等领域全方位优势的战略制高点。量子计算和量子传感近年来受到了广泛的关注，发展迅速。
量子计算指充分利用量子体系的特定性质，如纠缠态和叠加态来完成计算任务。该领域受到关注的原因可以归为两个方面：一是随着集成电路密度越来越高，经典计算机的单比特物理尺度越来越小，逐渐进入了量子力学起支配作用的微观世界，需要发展新的计算机模型；二是量子计算在解决特定问题上拥有巨大优势，如多体系统量子模拟、质因数分解和搜索算法等经典计算效率极低的问题。
图4：量子计算（来源：网络）
从量子计算的原理可以看到，其核心技术就是对物理系统的量子调控，包含量子态的制备、操控和测量等过程。在量子调控过程中存在着一个矛盾：一般可以实现较快操作的体系与周围环境(包括操控带来的影响)的耦合也强，对应的量子态可用于计算的时间(相干时间)都比较短；而相干时间比较长的物理体系和环境耦合较弱时，其量子态操控的速度就比较慢。所以寻找具有极好相干性质而且易于调控的物理系统是具有挑战性的任务。为了达到这样的效果，通常需要使用一些极端条件，比如超导量子比特需要工作在mK的温度以让环境热噪音降到极低；冷原子或者离子阱系统需要维持极高真空度以隔离周围其他粒子对系统的影响。
金刚石氮空位(nitrogen-vacancy，NV)中心是实现量子计算的优秀物理系统之一，它的最大特点是其自旋量子比特在室温下就有极长的相干时间，而且用光学方法和射频微波脉冲就可以实现极高效率的量子操控。其极长的自旋态相干时间带来了极高的磁场探测灵敏度，加上NV中心是亚纳米尺度的结构，可以稳定存在于金刚石单晶和纳米颗粒中，也便于和其他系统耦合，甚至可以进入到活细胞内部作为局域弱信号的灵敏探针。这些优势使得NV中心成为了量子计算和量子传感领域的研究热点。
经过近20年的积累和发展，NV中心自旋的量子调控技术已经相对成熟，尤其对单自旋的操控已经非常完善，目前的重点研究方向是发展多量子比特的相干操控技术，这也是所有量子计算实验研究的共同目标。NV中心邻近的弱耦合核自旋是实现较多量子比特的选择之一，而NV中心电子自旋和光量子比特或超导量子比特构成的复合系统也颇具吸引力。
另一方面，目前，成熟的量子相干操控技术已经用于解决具体的问题，如纳米尺度的弱信号探测，也是大家重点关注的方向。对于生物、化学、材料和凝聚态物理领域的研究，纳米尺度极高灵敏度的传感器都具有良好的应用潜力。为了适应这些方面的应用，NV中心量子传感研究逐渐从金刚石体内扩展到体外，也从固态常温常压条件扩展到液态和复杂流体环境(如活细胞内)，甚至包括极低温、高压和强磁场等极端条件。金刚石独特的力学、热学和光学性质，加上不断发展的量子操控技术，为这个领域提供了无限多的可能性。
产业化道路
科研指导产业，产业反哺科研！在科研的道路上，我国量子成果占有一席之地的同时，产业化进程同样出色。在量子产业化这条仅有几百米长的大道上，初创公司国仪仪量子，同样做出许多标志性的成果，例如，2019年，国仪量子推出首款面向大众的金刚石量子计算教学机和基于该产品的量子计算实验课堂整体解决方案。该产品具有可用于通用量子计算的2比特，可以进行量子比特演示、量子逻辑门操作、量子叠加态演化和经典量子算法演示。
国仪量子开发的基于金刚石中NV色心，以自旋磁共振为原理的仪器，通过控制光、电、磁等基本物理量，实现对NV色心发光缺陷的自旋进行量子操控和读出，从而实现量子计算等功能的教学仪器。
展商推荐：国仪量子（合肥）技术有限公司
(展位：A030)
国仪量子（合肥）技术有限公司以量子精密测量为核心技术，为全球范围内企业、政府、研究机构提供以增强型量子传感器为代表的核心关键器件、用于分析测试的科学仪器装备、赋能行业应用的核心技术解决方案等产品和服务。公司面向先进材料、半导体、量子科学、生命技术、医药和临床研究等领域，致力于帮助客户更高效地推动技术的发展、探索人类的未来。公司源于中国科学技术大学中国科学院微观磁共振重点实验室，实验室在高端科学仪器、关键核心器件的研制领域深耕十余年，多项技术、研究成果突破国际封锁和禁运，并获得“中国科学十大进展”、“国家自然科学二等奖”、“中国分析测试协会科学技术奖特等奖”等诸多奖项。
通讯地址：安徽省合肥市高新区创新产业园二期E2楼1-4层
公司网址：www.ciqtek.com
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