固態(tài)量子傳感器提供了檢測(cè)磁場(chǎng)、電場(chǎng)或溫度的新方法，其超高靈敏度接近量子極限。到目前為止，氮空位（NV）中心是最有前景的平臺(tái)之一，NV中心是金剛石中的一種光尋址缺陷，在室溫下具有特殊的電子自旋特性。其電子自旋態(tài)可以通過(guò)光學(xué)檢測(cè)磁共振技術(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)檢測(cè)，該技術(shù)包括掃描微波（MW）頻率，同時(shí)記錄相應(yīng)熒光強(qiáng)度作為時(shí)間函數(shù)。

       共聚焦和寬場(chǎng)熒光顯微鏡等定制方法已成為量子傳感測(cè)量的金標(biāo)準(zhǔn)。特別是，寬場(chǎng)金剛石量子傳感方法可實(shí)現(xiàn)并行讀出空間分辨NV熒光，為許多領(lǐng)域提供了巨大的應(yīng)用潛力。自首次實(shí)驗(yàn)演示以來(lái)，基于NV的寬場(chǎng)量子傳感平臺(tái)已在生物醫(yī)學(xué)、凝聚態(tài)物理和集成電路（IC）檢測(cè)等領(lǐng)域得到了快速發(fā)展和充分利用。

       在持續(xù)提高其測(cè)量精度和空間分辨率的同時(shí)，研究重點(diǎn)也開(kāi)始轉(zhuǎn)向時(shí)域，以實(shí)現(xiàn)超快光探測(cè)磁共振（ODMR）。這一擴(kuò)展有望實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)信號(hào)監(jiān)測(cè)，如神經(jīng)元?jiǎng)幼麟娢灰约凹?xì)胞活動(dòng)相關(guān)的溫度變化。然而，這一方向仍然面臨處理大量圖像幀數(shù)據(jù)的挑戰(zhàn)，這些數(shù)據(jù)需要從相機(jī)傳感器傳輸以進(jìn)行進(jìn)一步處理。

       這種數(shù)據(jù)傳輸會(huì)顯著限制時(shí)間分辨率，由于使用了基于幀的圖像傳感器，其時(shí)間分辨率通常不超過(guò)100 fps。因此，寬場(chǎng)磁力計(jì)在動(dòng)態(tài)測(cè)量中的潛力仍然有待挖掘。

       已有一些研究提出了不同的方法來(lái)提高寬場(chǎng)量子傳感的時(shí)間分辨率，包括下采樣方法（引入了潛在的偽影）、頻率復(fù)用（實(shí)現(xiàn)復(fù)雜但速度有限）、采用單光子雪崩二極管（SPAD）的先進(jìn)傳感陣列（需要復(fù)雜的電路集成），以及使用鎖定相機(jī)的像素內(nèi)解調(diào)（犧牲了傳感精度）。

       然而，監(jiān)測(cè)到的熒光強(qiáng)度隨圖像幀（與大量數(shù)據(jù)相關(guān)）的變化存在本質(zhì)局限性，導(dǎo)致寬場(chǎng)量子傳感性能不盡如人意。據(jù)麥姆斯咨詢(xún)介紹，為了克服這一瓶頸，香港大學(xué)（The University of Hong Kong）的研究人員提出采用神經(jīng)形態(tài)視覺(jué)相機(jī)來(lái)預(yù)處理傳感器邊緣的熒光強(qiáng)度數(shù)據(jù)，減少后處理傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，顯著提高了時(shí)間分辨率，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)快速動(dòng)態(tài)測(cè)量。

寬場(chǎng)量子傳感的概念、設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

       與記錄光強(qiáng)水平的傳統(tǒng)傳感器不同，神經(jīng)形態(tài)視覺(jué)傳感器將光強(qiáng)變化處理為類(lèi)似生物視覺(jué)系統(tǒng)的“尖峰”，從而提高時(shí)間分辨率（≈μs）和動(dòng)態(tài)范圍（>120 dB）。這種方法對(duì)于圖像變化不頻繁的場(chǎng)景特別高效，例如物體跟蹤和自動(dòng)駕駛汽車(chē)等，因?yàn)樗芟哂嗟撵o態(tài)背景信號(hào)。

基于事件的ODMR理論背景

       近來(lái)，這項(xiàng)技術(shù)在精密儀器測(cè)量領(lǐng)域獲得了關(guān)注，例如光學(xué)顯微鏡中的快速聚焦、動(dòng)態(tài)磁光克爾效應(yīng)（MOKE）顯微鏡、快速細(xì)胞流分選、振動(dòng)測(cè)量、快速跟蹤以及超分辨率成像等新興應(yīng)用。鑒于MW時(shí)空編碼的熒光強(qiáng)度僅在諧振頻率附近變化，因此變化很少，金剛石量子傳感成為利用該方案優(yōu)勢(shì)的理想選擇。

       據(jù)香港大學(xué)研究人員稱(chēng)，這是首次報(bào)道神經(jīng)形態(tài)視覺(jué)傳感器在寬場(chǎng)金剛石量子傳感中應(yīng)用的研究。具體來(lái)說(shuō)，研究人員開(kāi)發(fā)了一種自定義且高效的協(xié)議來(lái)處理事件類(lèi)的量子傳感數(shù)據(jù)，進(jìn)而重建衍生的ODMR光譜。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，這種新方法比傳統(tǒng)基于幀的方法花費(fèi)的時(shí)間要少得多（140 ms vs 1.82 s），同時(shí)，在18 μm x 18 μm的視場(chǎng)（FoV）檢測(cè)ODMR諧振頻率時(shí)實(shí)現(xiàn)了相近的精度（0.034 MHz vs 0.031 MHz）。

實(shí)驗(yàn)演示

       研究人員展示了它在監(jiān)測(cè)金剛石表面（具有金納米顆粒涂層）亞秒級(jí)激光加熱方面的潛力，這是過(guò)去傳統(tǒng)方法無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。實(shí)驗(yàn)表明，其溫度監(jiān)測(cè)具有0.28 s的時(shí)間分辨率和0.5 K的溫度精度。研究人員預(yù)計(jì)，所提出方案的成功演示有望革新寬場(chǎng)量子傳感，以可承受的成本顯著提高性能。

寬場(chǎng)動(dòng)態(tài)溫度測(cè)量

       這項(xiàng)研究還為開(kāi)發(fā)具有更先進(jìn)傳感器處理能力的智能量子傳感器鋪平了道路，并通過(guò)新興的基于記憶（memory-based）的電子突觸器件實(shí)現(xiàn)傳感器邊緣處理。這些進(jìn)展有望進(jìn)一步提高寬場(chǎng)量子傳感器的性能，為科學(xué)研究和實(shí)際應(yīng)用帶來(lái)新的機(jī)遇。

       延伸閱讀：《量子傳感器技術(shù)及市場(chǎng)-2023版》