“冻结”信号，量子精密测量更稳更准
清华大学段路明团队首次在大规模固态自旋体系中观测到多体动力学冻结现象，抑制了热化效应，使系统相干时长提升一个数量级，磁场测量灵敏度提高约2.7倍，为量子精密测量实用化提供新路径。
量子精密测量，听起来很高大上，但其实离我们并不远。作为量子科技赛道中距离产业化、实用化最近的领域，它凭借超高的探测灵敏度，在资源勘探、医疗诊断等场景中拥有广阔应用空间。然而，长久以来，量子多体系统中由粒子间相互作用引发的热化效应，就像一道无形的壁垒，持续制约着量子传感的测量精度和信号稳定性，也成了它走出实验室、实现规模化落地应用的核心瓶颈。
好消息是，由中国科学院院士、清华大学基础科学讲席教授段路明，清华大学交叉信息研究院长聘副教授邓东灵、助理教授侯攀宇组成的科研团队，最近取得了关键突破。他们首次在大规模固态自旋体系中观测到了多体动力学冻结现象，有效抑制了热化效应，为提升量子传感稳定性和灵敏度提供了新路径，也推动着量子传感技术进一步走向实用化。相关成果日前已在线发表于国际学术期刊《自然》。
热化效应缩小测量窗口
什么是热化效应？可以这样理解：量子多体系统由大量微观粒子组成，每个粒子都带有自旋属性，就像自带无数枚微型磁针。正常情况下，这些粒子保持有序排列，能精准记录探测信号。但粒子之间会持续发生相互作用，随着时间推移，系统原本有序的状态会逐渐消失，趋于无序均衡——这个过程就是热化效应。
热化最直接的危害，就是损毁量子系统记录的测量信息。这就像把墨水滴入清水，最终完全扩散均匀，初始信息彻底丢失。在周期性驱动的量子传感系统中，问题会被进一步放大。外部设备持续驱动工作时，会不断向量子系统注入能量，系统很快变成无特征的高温状态，原本可捕捉的微弱探测信号会彻底被抹平。
相干时长是量子精密测量的核心指标，代表着系统保持有序、有效工作的时长。传统量子传感系统的相干时间受热化效应限制，有效测量窗口被大幅压缩，这让量子传感精度难以提升，极大限制了超导材料检测、活体细胞观测等前沿场景的应用落地。
那么，如何抑制热化效应呢？科学界提出了多体动力学冻结现象：通过对复杂量子系统施加精准的周期性驱动，不但不会加速其混乱，反而能让它进入一种有序信息被“保护”起来的特殊“冻结”状态。
据团队成员、清华大学博士袁冬介绍，受限于真实实验系统的复杂性和诸多干扰因素，这一物理现象始终未能在大规模真实体系中实现观测，成为困扰全球量子传感领域多年的科研难题。
实现动力学冻结状态
研究团队的核心突破，在于攻克了真实体系下的实验难题，首次在大规模固态自旋体系中捕捉到多体动力学冻结现象，并探明了其核心作用机制。
团队成员、清华大学交叉信息研究院博士后卢亚男详细还原了实验全过程。区别于小规模理论实验，此次研究立足实用化场景，选取金刚石内近万个氮—空位色心电子自旋，搭建大规模实验平台。氮—空位色心具备优良的光学性能和自旋特性，是量子传感领域的重要实验平台，这套体系高度贴合真实量子传感的工作场景，成果具备极强的落地参考价值。
此次实验最大的难点在于大规模真实体系的可控化。小规模模型实验容易规避干扰，但由近万个粒子组成的固态自旋体系，相互作用复杂、干扰变量极多。依托金刚石材料化学性质稳定、能够适配极端环境的天然优势，团队通过标准化技术手段完成了系统操控：利用激光实现自旋系统的初始化与信号读出，借助精准调控的微波场对整个体系实施全局周期驱动，让海量相互作用的自旋粒子处于可控的实验状态中。
经过反复参数调试，团队成功让自旋系综进入了稳定的动力学冻结状态。实验数据真实印证了这一全新物理现象：在特定参数条件下，系统磁化量可稳定维持约200个驱动周期，系统相干时长相比传统技术提升了一个数量级。反之，一旦驱动参数偏离冻结标准，系统会立刻快速热化，丢失有序信号。
通过多组对照实验，团队最终明确了这一突破的核心原理：周期驱动诱导产生的涌现守恒量，是抑制量子系统热化的关键机制。涌现守恒量可以通俗地理解为一个系统在特定外部周期驱动条件下，产生的一个近似守恒的物理量。这也是学界首次通过实验证实，涌现守恒量可以保护大规模自旋体系的有序量子状态，让系统能够远超常规相干时间，持续保持稳定的探测响应能力。
实测数据显示，相较于传统技术方案，新研发的动力学冻结传感方案，使磁场测量灵敏度提升了约2.7倍，对微弱磁信号的探测能力得到大幅强化，可捕捉以往设备无法识别的微弱信号。
拥有广阔交叉应用前景
新研究不仅是基础物理领域的重要发现，更实现了技术落地突破。将动力学冻结机制成功应用于磁场测量，让量子传感性能实现了质的飞跃，为行业发展开辟了新路径。
这套方案仅需对自旋体系进行全局统一调控，无需单独操控每一个粒子，操作流程简单、可控性强，摆脱了传统高精度量子设备操作复杂、难以推广的短板。依托金刚石自旋体系耐高温、耐高压、适配极端复杂环境的特性，这项全新量子传感技术拥有广阔应用场景，可广泛覆盖多个前沿交叉领域。
在凝聚态物理与材料领域，该技术可用于超导材料、铁磁材料的高精度磁性检测，助力新型功能材料研发，为高端量子材料、超导器件的科研攻关提供精准探测工具。在化学与生物医学领域，凭借超高的探测精度与稳定性能，该技术可实现活体细胞内部微观参数观测，精准探测细胞内磁场、温度等物理量的变化，为细胞机理研究、生物医药前沿探索提供技术支撑。
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