中国科学技术大学杜江峰团队首次实现太阳光驱动的量子磁力计

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虽然能源消耗一直是现代工业和社会的主要关注点，但量子技术很少考虑到能耗问题。特别是，直接由可再生能源驱动的量子技术的潜力长期被忽视。量子系统的初始化、操作和读出通常需要高耗能的设备，如稀释制冷机、微波功率放大器和高功率激光器。

目前，中国科学技术大学杜江峰团队展示了太阳光驱动的量子磁力计：通过直接利用环境能量，为量子技术的能源消耗问题带来了潜在的解决方案[1]。

论文即将发表在《物理评论X能源》期刊

01 展示太阳光驱动的量子磁力计

经过实验，团队发现了一条直接利用太阳能来引导金刚石中带负电的氮-空位(NV)中心的量子态途径，而氮-空位中心是过去几十年中最有前途的固态量子系统之一。通过这种方式，实验团队展示了太阳光驱动的量子磁测量：这种量子磁力计的初始化和读出直接由阳光实现，而传统的微波操作可以通过使用无微波方案来消除。

传统激光器需要消耗100瓦左右的电力：就像保持一个明亮的灯泡燃烧；而该团队的这项创新有可能使量子传感器摆脱这种能源需求。通过直接利用环境能量，这一方法为量子技术的能源消耗问题带来了潜在的解决方案。这种技术也可以进一步扩展到多个量子系统，从而为未来的环境可持续量子技术和自供电量子传感打开了大门。

光线穿过一个金刚石传感器，该传感器是测量磁场的阳光驱动型量子设备的核心。

02 如何利用太阳光？无需将太阳能转换为电能

中国科学技术大学的物理学家杜江峰院士说[2]，“最大的困难在于该设备如何利用阳光：它不使用太阳能电池将光转换成电。相反，太阳光需要完成激光的工作。”

量子磁力计通常包括一个强大的绿色激光器来测量磁场。激光照射在含有原子缺陷的金刚石上：当氮原子取代了纯金刚石中的一些碳原子时，就会产生“氮-空位”缺陷。绿色激光使氮空位产生荧光，发出的强度取决于周围磁场的红光强度。

绿色光照在量子设备中基于金刚石的传感器上，可用于测量磁场。在这个原型中，一个透镜（顶部）收集太阳光，它被过滤后只留下绿色波长的光。这种绿光为传统量子设备所依赖的高耗能激光器所产生的光线提供了一种环保的替代品。

新的量子传感器也需要绿光。阳光中存在大量的绿光，从树叶和草地反射的绿色波长中可以看出。为了收集足够的绿光来运行他们的磁力计，杜江峰团队用一个15厘米宽的透镜代替了激光器来收集阳光；然后他们过滤光线以去除除了绿色以外的所有颜色，并将其集中在一个有氮原子缺陷的金刚石上。最终的结果是生成了红色的荧光，它们可以像配备了激光的磁力计一样显示出磁场强度。

将能量从一种类型转变为另一种类型，就像太阳能电池收集光和发电时发生的那样，是一个固有的低效率过程。研究人员声称，无需将太阳光转换为电能来运行激光器，使他们的方法比用太阳能电池为激光器供电的效率高三倍。

03 量子和环境可持续技术融合的第一步

"我从未见过任何其他报告将太阳能研究与量子技术联系起来，"牛津大学的物理学家Yen-Hung Lin说，他没有参与这项研究。“这很可能会点燃人们对这一未曾探索过的方向的兴趣火花，我们可以在能源领域看到更多的跨学科研究。”

研究人员说，对其他物理量（例如，电场、压力）敏感的量子设备也可以从太阳光驱动的方法中受益。特别是，基于空间的量子技术可能利用地球大气层外的强烈阳光，为量子传感器提供量身定做的光线；剩余的光，在量子传感器不使用的波长中，可以归入太阳能电池，为处理量子信号的电子装置供电。