【全國重點實驗室 新征程】靈敏度增萬倍 港量子探針矚目

港中大利用納米鑽石原子特殊「色心」缺陷 維持量子自旋特性

量子科技（Quantum Technology）蓬勃發展，革命性地提升人類獲取、傳輸和處理信息的能力，開啟信息科技新紀元。最新發布的國家「十五五」規劃建議，亦點名布局包括量子科技等未來產業，推動其成為新的經濟增長點。當下全球量子競賽展開，香港科研也在切實為國家相關發展獻力。

今年新成立的香港中文大學量子信息技術與材料全國重點實驗室，聚焦金剛石（鑽石）量子感測技術發展。實驗室主任劉仁保接受香港文匯報專訪指，研究團隊藉納米鑽石的研究，透過其原子結構的穩定性，以及當中的特殊「色心」缺陷，藉此維持對磁場反應極端敏銳的量子自旋特性，成功令量子探針的靈敏度達到傳統探針的一萬倍，可望大大推進有關生命科技及能源材料等方面的精密測量潛力。 ●香港文匯報記者 陸雅楠

經國家科技部批准，設於香港的原國家重點實驗室今年7月重組成15所全國重點實驗室，港中大量子信息技術與材料全國重點實驗室為當中3所全新設立實驗室之一，藉以對接國家最新的重大戰略需求，瞄準世界科技前沿。該實驗室聚焦多個量子科技範疇，包括鑽石量子感測技術及其在凝聚態物理、生物學、能源材料與器件開發中的應用；又會利用新型量子干涉儀進行高精度量子計量；以及結合新型超導材料研究，探索用於量子資訊處理的量子材料系統；並發展應用於光量子計算、量子通信、量子感測與神經計算的集成光子器件等。

劉仁保特別提到，實驗室近年在量子傳感應用方面非常重要的突破是提出了「量子非線性譜學」（Quantum Nonlinear Spectroscopy），又採用納米鑽石作為量子探針，取代傳統探針，以更高效、靈敏的方式從環境中提取資訊。

量子探針主要利用量子疊加態（superposition）的特性，即允許一個量子系統同時處於多種可能的狀態，直到被觀測為止。不過，量子系統一般要求超低溫環境，且極易受干擾而坍縮，被視為鑽石雜質的「色心」結構，卻於此時可派上用場。

劉仁保解釋，納米鑽石晶體的碳原子結構提供穩定性，使其幾乎不受外在環境影響，在室溫下亦能保持良好的量子特性，只要將其中心相鄰的兩個碳原子，換成一個氮原子和一個空位，造成「氮─空位『色心』」，便能成為特殊的量子體系，在物理學上稱為量子自旋，「其實它就是一個非常小的磁針，是磁的最小單位。」當周邊磁場只是變一點點，這個磁針已能轉動很多很多圈，反應極為靈敏，只需要看它轉了多少角度，便能迅速探測出磁場大小。

能用激光在量子層面讀出磁場變化

他提到，現今廣泛應用的磁力共振MRI技術，也應用到量子自旋磁場原理，惟在讀取上卻需要數以萬億計的磁針才能透過線圈看到信號。而新技術的量子鑽石探針，則能使用激光在量子層面讀出磁場變化，精密測量的程度大大超越以往框架。

可望測量大腦思考微弱腦磁信號

劉仁保以醫學成像為例指，借助高靈敏量子探針新技術，可望將現有的厘米級或毫米級測量，推進到單分子、單細胞層面，甚至可測量大腦思考時產生的微弱腦磁信號。通過解析這些信號，結合計算技術，呈現大腦內電流活動，獲取更精細的腦圖譜，了解不同腦區的活躍模式與功能，從而深入研究大腦的運作機制。他形容這在以往是難以想像的，如今正逐步實現。

在溫度測量方面，團隊亦已實現將靈敏度提升萬倍。劉仁保表示，對比一般科研環境能測出一秒鐘一度的變化，「我們量子探針的靈敏度，大概能做到於一秒內測到萬分之一度的變化，且探針體積僅為幾百納米，是目前全球最優的測量之一。」

此外，實驗室團隊亦能實現在最高1,100℃的環境中進行量子測量與控制，其高溫量子研究的獨特優勢，也領先於全球的同類探測。