比显微镜更精准！中科大量子传感技术实现原子级缺陷检测

在未来的芯片制造中，或许能在生产过程中精确“透视”每一个原子级缺陷，从而打造更高效、更稳定的电子器件。听起来像科幻，但这正是中国科学技术大学（USTC）最新的量子传感研究成果所展现的前景。

2024年1月5日，中科大研究团队在《自然-光子学》（Nature Photonics）发表了一项突破性研究Correlated sensing with a solid-state quantum multi-sensor system for atomic-scale structural analysis：团队利用多量子传感器之间的信号关联，成功在金刚石材料中以1.7纳米的精度定位了16个点缺陷。这项成果远超现有的半导体检测技术，可望大幅提高芯片制造与量子材料研究的精度。

量子传感：为原子世界装上“X光透视仪”

在传统检测中，研究人员通常依赖显微镜或X射线等手段观察微观结构。然而，当目标缩小至原子级，这些方法就显得力不从心。为更精准地检测半导体材料中的缺陷，中科大研究团队提出了一种全新的量子传感方法。

他们采用氮-空位（NV）色心作为量子传感器。NV色心对微弱电场变化非常敏感。在此基础上，团队构建了多个NV色心协同工作的量子多传感器系统，通过分析各传感器间的信号关联（signal correlation），从复杂背景中高效分离并解析原子级缺陷的信号。

如果说单一量子传感器的方法有如“摸黑找东西”，那么多个传感器的协同就像“用多只量子之眼捕捉目标”，极大提升了检测精度。

突破点：量子“GPS”定位原子级缺陷

研究团队不仅提出了新的量子传感策略，更借助类似GPS的定位原理，实现了原子级的精准检测。其核心技术包括：

• 信号关联检测 当多个缺陷的信号彼此重叠时，传统单传感器难以区分。多传感器系统则通过分析传感器间的信号关联，清晰提取出不同缺陷的独立信息。

• 三维成像 借助NV色心对电场方向与强度的感知，研究人员能够在三维空间中确定缺陷的位置。

• 超高精度 通过上述方法，团队成功解析了16个电子点缺陷的位置，空间分辨精度高达1.7纳米。

值得一提的是，这项技术的灵敏度比现有最先进方法提升100倍。换言之，即使在1000亿个正常原子里出现一个缺陷，也能被“揪”出来。

影响与应用：从芯片制造到量子计算

这项研究不仅是实验室里的理论进展，也将在多个领域产生深远影响。

• 半导体行业 芯片制造中的缺陷检测直接决定产品良品率。量子传感技术能帮助发现微米乃至纳米级别的隐蔽缺陷，从而提升芯片质量与生产效率。

• 量子计算 量子比特的稳定性高度依赖材料品质。精准控制量子材料中的缺陷，将推进更稳定、更可靠的量子计算机研发。

• 纳米级材料分析 未来，这种方法或可用于研究纳米材料、生物分子，甚至为进一步探索更细微的物理现象打开新大门。

未来展望：量子传感的无限可能

中科大的这一成果，充分彰显了中国在量子科技领域的前沿地位。量子传感技术的突破为人类提供了一种前所未有的方式，去观测并操控物质世界。随着技术的不断演进，我们或许终能在原子尺度上实现对材料结构的“透视”，这对于芯片制造、量子计算及更广阔的科学研究都意义重大。

从显微镜时代迈向量子传感时代，未来的“分子级”甚至“原子级”成像与检测或许将不再遥远。