原子制造是采用“自下而上”的变革性技术路线，在原子水平的高效制造工艺，是精细制造技术发展的必然趋势，也是物质科学的终极梦想之一。量子传感器是根据量子力学规律、利用量子效应设计的、用于执行对系统被测量进行变换的物理装置。今天我们有幸请到了赵立业教授为我们介绍原子制造技术和量子传感器技术的应用领域及联系。首先来介绍一下赵立业教授和他的研究内容。
01 人物介绍
赵立业 博士生导师、教授、仪器科学与工程学院副院长
主要研究方向为智能微系统与测控技术、新型传感器技术、信息导航技术等；曾获江苏省高校优秀中青年教师境外研修计划资助在香港中文大学自动化系从事合作研究。以第一作者或通讯作者在国内外期刊《Applied Sciences》、《Shock and Vibration》、《Entropy》、《Mathematical Problems in Engineering》、《Sensors》、《Sensors and Materials》、《中国惯性技术学报》等发表研究论文20余篇；授权国家发明专利5项；曾主持国防预研项目、装备预研教育部联合基金项目、国家自然科学基金青年项目、江苏省自然基金项目、教育部博士点基金项目、船舶工业预研基金项目等10余项。现主持*****国防创新特区项目2项，教育部装备预研联合基金1项，参与国防创新特区项目2项。
02 采访内容
Q1 量子传感器是很多年以前就提出的概念，但是人们对于它的认知很少，请问量子传感器应用领域有哪些呢？其中涉及到一些怎么样的科学技术？
赵：通俗地讲，量子传感技术是指利用量子特性获得更高性能的传感技术。量子传感器是基于量子传感技术，通过量子态操控及测量过程实现量子态感知的一类传感器，主要包括量子陀螺仪、量子重力仪、量子磁力计、量子雷达、量子时钟和量子定位导航系统等。
量子传感器具备两个基本特征：量子传感系统中操作的对象是微观粒子(如光子、原子、离子等)，并且系统在待测物理场中演化导致量子态的改变实现精密测量。量子传感器按照技术原理可以分为三种主要类型：分立能级结构、量子相干叠加和量子纠缠/压缩态。这三种主要类型也是量子传感技术的三个演进阶段，从分立能级到相干叠加，再到量子纠缠，测量精度不断提升，甚至突破经典物理极限，代价是系统复杂度和成本提升、体积增大。量子传感器的实施过程可归纳为量子态的制备与初始化、量子体系在待测物理场中演化、演化后量子态的读取和结果处理转化四个基本步骤。目前，量子传感器主要应用在时频同步、磁场测量、定位导航、重力测量和目标识别/成像等领域。
量子传感器中涉及的科学技术包括三个方面。第一方面包括相干叠加、量子纠缠、单光子探测、量子压缩态感知、能级跃迁、核磁共振和SERF等量子力学原理方面的科学技术；第二方面包括原子蒸汽、冷原子云、囚禁离子、光子、超流体和基本粒子等物理媒质的量子态制备、量子态操控、量子态测量及量子态读取等量子操作过程的科学技术；第三方面包括单光子探测器、微波源、激光器、原子池、射频器件、电光调制器件、声光调制器件和外围保障系统的耦合联调的科学技术。
Q2 许多量子领域的科研者说，世界正处在第二次量子革命的边缘，您认为现如今的量子传感器技术还面临着怎样的挑战？
赵：首先不可否认的是，目前量子传感器未来的发展仍面临诸多挑战。之前人们是从对量子态的认识变成对量子态进行主动操控，但大多还是处于基础探索的阶段。因此在基础物理、前沿研究方面还有很多的工作要做。面对量子传感器未来的挑战首先要做的就是把人的资源整合好。量子传感是多学科的综合之后才产生合力推动发展的。量子传感本身需要物理、计算机或软件等各个学科领域专家进行参与，涉及到不同资源整合的问题，因此量子传感发展需要大家把它变成同样的目标共同奋斗。
其次，量子传感器技术产业发展仍处于早期阶段，产业资源集中在核心系统设计及整机的工程化开发中，在大规模应用推广到来之前量子传感的应用对上游的牵引力还不足，导致上游有实力的元器件及工艺厂商在面向量子产业的研发投入不足，制约了产业的整体发展。因此，我认为需要在项目布局方面向上游生态企业延展，是拓宽当前量子传感产业边界重要的推动点。
Q3 在我查阅资料后了解到，人造原子在量子传感器技术中非常重要，请问原子制造技术对量子传感器技术有着怎样的影响和帮助？
赵：量子传感器中核心模块的空间尺度多为原子层面，而原子制造方法为量子传感器中核心模块的制备提供一种新的解决思路。
通过单原子注入、单原子析出、多原子祛除、多原子结合和多原子熔化与重塑等原子制造技术可对量子传感器的核心模块进行制备，相对于传统的量子态制备方法具有其固有优势。例如：将原子注入到目标载体，可实现精准定位和粒子定量注入；将掺杂原子（或目标原子）进行析出可实现粒子的定向分离；在外界物理化学作用下对局域原子进行祛除，可实现局域原子的精确控制；原子团簇制备方法可通过控制反应条件控制原子簇尺寸；在原子尺度内熔化本体结构，并实现原子尺度内结构的重塑成型，具有成形致密度高、性能优良、成形适用性好等优点，是传统的机械制造和电化学制备方法无法实现的。
因此，原子制造技术辅助于量子传感器可为量子传感器技术中存在的难题提供可能的解决手段，是量子传感器技术未来发展过程中必不可缺的一环。量子传感器技术也为原子制造技术提供新的应用方向，两者相辅相成，共同发展。
03 总结
赵立业老师在访谈中详细地为我们介绍了原子制造和量子传感技术的应用领域和研究联系，也为我们解答了“世界正处在量子革命的边缘”这句话的含义，让我们对量子传感技术和原子制造有了更深的了解。
本期访谈到此结束，还有更多精彩内容在等着大家。让我们一起期待5月12日李潍教授之“仪科知多少”（第十三期）|智能的视觉--模式识别，图像处理！
来源|东大仪科公众号
