Xplorer Symposia回顾｜“玩转”量子传感：理论突破与应用探索的精彩碰撞

新基石科学基金会

2024-12-25 16:02发布于北京

量子传感与精密测量是量子信息科学中的核心领域之一，其实际应用历史悠久，包括核磁共振（NMR）、超导量子干涉器件（SQUID）、原子钟、光钟、激光干涉仪和激光陀螺仪等技术。随着量子传感技术的不断发展，其在超高精度计时、生命科学、凝聚态物理及材料、物理学基本原理等基础研究中的应用变得愈加重要。

Xplorer Symposia系列学术会议之“‘玩转’量子传感”吸引近百位中外科学家热情参与

量子传感是量子科技的重要分支，它利用量子世界的独特规律，以前所未有的精度和灵敏度探测和测量各种物理量，为人类探索微观世界提供了强大的“慧眼”。从医学诊断到宇宙探索，从材料研究到环境监测，量子传感正在深刻地改变着我们认识和改造世界的方式。

Xplorer Symposia系列学术会议“‘玩转’量子传感（Quantum Sensing: Fundamentals, Functions, and Fun）12月1日至5日在香港成功举行。本次研讨会汇聚了来自全球的顶尖学者，通过29场精彩纷呈的学术报告，深入探讨了量子传感领域的最新理论进展、技术突破和跨学科应用，为未来的技术革新与国际合作奠定了坚实的基础。

Xplorer Symposia是由新基石科学基金会支持的非盈利学术平台，旨在鼓励科学家独立发起和组织学术会议，促进跨学科、跨地区的科学合作与交流，营造鼓励持续自由探索的学术氛围。该系列研讨会以其跨学科、邀请制和国际化的特点著称，倡导分享未发表的研究成果，并围绕科学界最前沿的议题展开深入讨论。研讨会设立了指导委员会，重点关注物质科学以及生命与医学科学两大领域，确保学术会议的科学质量。此次会议的主席为新基石研究员香港中文大学刘仁保教授；联合主席为“科学探索奖”获奖人、新基石研究员中国科学技术大学陈宇翱教授，“科学探索奖”获奖人中国科学技术大学彭新华教授。

本次会议主席刘仁保（左1），联合主席陈宇翺（左2）、彭新华（右1）与参会科学家罗俊（中）、彭承志（右2）合影

量子传感与精密测量是量子信息科学的核心领域，其应用历史悠久，涵盖了核磁共振（NMR）、超导量子干涉器件（SQUID）、原子钟、光钟、激光干涉仪和激光陀螺仪等关键技术。

这些技术利用了量子力学的独特特性，例如相干性与纠缠性，在成像分辨率、光谱精度及探测灵敏度方面超越经典方法，为人类探索未知领域提供了强大的工具。

近年来，量子传感技术的快速发展不仅展示了量子技术在探测应用中的巨大潜力，也为机器学习、量子多体物理等交叉领域开辟了新的研究方向。量子传感技术在超高精度计时、生命科学、凝聚态物理及材料研究，以及物理学基本原理等领域的重要性日益凸显。

本次Xplorer Symposia涵盖了量子传感领域的多个前沿方向，理论突破与应用探索的精彩碰撞让研讨会亮点纷呈。

理论与技术突破，打开新基础

浙江大学杜江峰教授报告了聚焦单自旋系统的量子控制技术及其在量子模拟和精密测量中的应用，特别是在单分子检测中的突破性进展，他的研究为探索量子系统在极端条件下的特性提供了新视角；“科学探索奖”获奖人、中国科学技术大学彭新华教授报告了基于自旋的量子传感技术开发超灵敏磁场传感器，为零场核磁共振、暗物质搜索等领域开拓新应用；

香港大学 Giulio Chiribella 教授分享了非定因果序在量子计量学中的应用，展示了通过“量子切换”实现的几何相位估计的高精度提升；中国科学技术大学李传锋教授介绍了利用量子资源突破标准量子极限的研究，展示超海森堡极限的实现及光学量子计量的前沿实验进展；以色列希伯来大学Alex Retzker教授报告了动力解耦技术在液态核磁共振与流体传感中的应用，提出突破扩散噪声限制并延长相干时间的方法。

中山大学罗俊教授介绍了中国自主引力波探测项目“天琴计划”的最新进展，包括引力常数G的精密测量及广义相对论基本原理的实验验证；“科学探索奖”获奖人、新基石研究员、中国科学技术大学彭承志教授总结了“墨子号”卫星的研究成果，展望了中高轨道量子科学卫星在量子通信和时间频率传输中的应用前景。

浙江大学杜江峰教授作题为《单自旋量子控制及其应用》的报告

方法与工具探索，提供新功能

以色列魏茨曼科学研究所 Eli Zeldov 教授介绍了利用扫描 SQUID 技术实现二维材料能带重构的新方法；“科学探索奖”获奖人、中国科学技术大学石发展教授进一步分享了基于 NV 中心（编者注：氮-空位中心，也称作NV色心，是金刚石中的一种点缺陷，常被应用于量子物理相关实验研究）的原位核磁共振（NMR）和电子自旋共振（ESR）技术，为纳米级单分子探测提供了新工具；

清华大学尤力教授的报告强调了量子纠缠在提升测量精度中的潜力，并展示了基于自旋玻色-爱因斯坦凝聚态的量子干涉实验；新基石研究员、香港中文大学刘仁保教授深入探讨了量子非线性谱学的优势，提出通过量子传感器提取高阶关联函数的实验方法，为区分经典噪声与量子噪声提供了新视角；丹麦哥本哈根大学Eugene Polzik教授报告了量子纠缠增强传感技术，通过突破标准量子极限，实现其在引力波探测与医学诊断中的应用；

香港城市大学区泽宇（Jeff Zheyu OU）教授报告了对Hanbury-Brown和Twiss干涉仪的深入研究，实现热光场相位敏感双光子干涉，为长基线高分辨率天文观测奠定新技术基础；中科院精密测量科学与技术创新研究院詹明生教授介绍了长基线原子干涉仪的研究进展，通过延长干涉臂长突破精度限制，推动量子测试与引力物理研究的前沿发展；华中科技大学胡忠坤教授介绍了基于冷原子干涉仪的精密重力测量，开展自由落体普适性测试，开发高灵敏度原子重力仪，推动引力测量技术进步。

浙江大学王大伟教授提出了基于量子诱导相干性的光探测与测距技术（QuIC LiDAR），实现了对环境噪声与干扰的显著抗噪能力。这一技术通过仅检测纠缠参考光子来获取目标距离，为光学遥感与量子电磁传感开辟了新方向。

丹麦哥本哈根大学Eugene Polzik教授作题为《纠缠增强的原子传感器及其生物医学应用》的报告

跨学科应用创新，带来新乐趣

“科学探索奖”获奖人、新基石研究员、北京大学江颖教授展示了纳米受限水“液-固相变”的首次实验验证，揭示了水分子在受限条件下的扩散抑制与冰状有序结构；

德克萨斯农工大学 Philip Hemmer 教授回顾了高质量纳米金刚石的制造进展，并探讨了其在量子增强生物传感中的潜力；香港中文大学李泉教授则展示了基于金刚石 NV 中心开发的纳米级方向传感器，成功应用于细胞膜动力学和单细胞力学的研究；

“科学探索奖”获奖人、新基石研究员、中国科学技术大学陈宇翱教授介绍了超冷原子光学晶格钟在量子模拟与时空计量中的突破性进展，强调了基于高轨空间平台的光学频率标准的重要性；中国科学院精密测量科学与技术创新研究院高克林教授介绍了⁴⁰Ca⁺光钟在低温（液氮温度）和室温环境下分别实现了低于3.0×10^-18和4.8×10^-18的不确定度，为高精度时间基准奠定了基础；

来自匈牙利厄尔沃什·罗兰大学（Eötvös Loránd University）的青年科学家András Tárkányi（右）向德克萨斯农工大学Philip Hemmer教授（左）讲解他的学术海报

德国斯图加特大学Joerg Wrachtrup教授报告了利用固态量子传感器探测二维材料特性，揭示Moiré磁序与超导体分数涡旋的独特现象；德国多特蒙德工业大学Dieter Suter教授分享了自旋噪声的时空关联，提出利用激光束测量空间关联性，为量子传感开辟新方向；

中国科学技术大学卢征天教授的报告聚焦于⁸¹Kr等长寿命同位素的痕量分析技术，并展示了这一方法在地下水流动追踪和极地冰芯年代测定中的广泛应用；

基于金刚石 NV 中心的多类型应用，成为此次多位欧洲参会科学家分享的重点。比利时哈瑟尔特大学Milos Nesladek教授介绍了量子金刚石色心技术及量子芯片可扩展方法，为量子传感与计算的大规模应用提供新思路；德国乌尔姆大学Fedor Jelezko教授报告了金刚石NV色心在量子传感中的研究进展，探索其在核自旋超极化与医学成像中的广泛应用；德国乌尔姆大学Martin B. Plenio教授分享了利用金刚石色心增强核磁共振灵敏度，并展示核自旋超极化在生命科学及量子非线性研究中的应用潜力；德国美因茨大学及加州大学伯克利分校Dmitry Budker教授在报告中介绍了简化NV金刚石传感技术，提出无微波传感方法，拓展其在生物系统中的应用潜力；德国维尔茨堡大学Vladimir Dyakonov教授报告了六方氮化硼中硼空位色心的相干控制，探讨其在量子传感和极端环境测量中的应用潜力。

香港中文大学李泉教授作题为《基于金刚石的细胞动力学与力学方向传感》的报告

本次为期五天的研讨会不仅全面展示了量子传感领域的最新研究成果，也为与会者搭建了深入交流与合作的平台，超过 80% 的参会者认为本次会议是“同领域中最优秀的会议之一”，约 65% 的参会者建立了与其他研究团队的合作意向。

与会科学家现场交流

青年科学家和学生也积极参与此次会议，纷纷表示从中受益匪浅。会议特别设置的学术海报展示环节，吸引到来自北京大学、香港中文大学、香港城市大学、中国科学院物理研究所、中国科学技术大学、合肥工业大学、华南师范大学、华中科技大学，以及山西大学、匈牙利厄尔沃什·罗兰大学（Eötvös Loránd University）的14位青年科学家提交了海报。来自中国科学院物理研究所的刘刚钦，香港中文大学的陈冲、郭帅伟三人获得由演讲嘉宾投票选出的优秀海报奖。

优秀海报奖获奖人陈冲（左2）、刘刚钦（右2）、郭帅伟（右1）与本次会议联合主席彭新华（左1）合影

在即将到来的2025年，Xplorer Symposia系列学术会议计划在生命与医学科学、物质科学领域举行多场会议，继续聚焦前沿科学议题。2025年2月19日-22日，主题为“微生物组与化学、植物和医学的多学科交叉（Multidisciplinary Intersection of Microbiome,Chemistry,Plant,and Medicine）”的新一场Xplorer Symposia将在香港举办。

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