清华大学段路明团队突破量子精密测量瓶颈 首次实现大规模固态自旋体系多体动力学冻结

量子精密测量领域长期困扰科学家的核心技术难题近日取得重大突破。记者从清华大学交叉信息研究院获悉，中国科学院院士、清华大学交叉信息研究院教授段路明团队首次在大规模固态自旋体系中成功观测到多体动力学冻结现象，这一成果意味着量子传感技术向实用化进程迈出了关键一步。该研究为破解热化效应导致的信号衰减难题提供了全新思路，相关成果已发表于国际权威学术期刊。

热化效应成量子传感“拦路虎”

量子传感 作为下一代精密测量技术的核心方向，其理论精度可达传统传感器的百倍甚至千倍。然而在实际应用中，量子系统与外部环境的相互作用始终是困扰科学家的顽疾。当量子系统与周围环境发生能量交换时，系统会逐渐从非平衡态演化至平衡态，这一过程被称为“热化”。在热化过程中，量子态携带的微妙信息会如墨滴融入水中般持续扩散、模糊，最终彻底消散于环境之中。 “以水下涟漪为例，最初清晰可辨的波纹会随着时间推移逐渐平复，最终与水面融为一体，无法再辨识出任何有效信号。”段路明院士介绍称，“量子传感面临的问题与之相似——热化效应如同一个无形的信息黑洞，不断吞噬着测量过程中产生的宝贵量子信息，这是当前量子精密测量技术走向实用化的最大障碍之一。” 长期以来，全球多个研究团队尝试通过各种方式抑制热化效应，包括构建特殊量子系统、引入量子纠错机制等，但效果始终有限。段路明团队此次选择的研究路径是从多体物理的基本动力学行为入手，寻找一种能够从根本上遏制热化过程的方法。

首次观测到多体动力学冻结现象

段路明团队将研究重点聚焦于大规模固态自旋体系。这类体系具有可扩展性强、调控灵活、相干时间长等优势，是实现大规模量子信息处理的候选体系之一，也是当前量子计算与量子传感领域的研究热点。 经过深入探索，团队成员在特定实验条件下首次观测到一种极为罕见的物理现象——多体动力学冻结。在这一状态下，量子系统的演化并未遵循传统的热化路径，而是被锁定在一种特殊的准稳态之间，无法继续向完全热化的平衡态演化。这意味着此前持续扩散的量子信息得以保存，信号不再随时间衰减模糊。 “想象一下本应融化的冰块突然被固定在即将融化的临界状态，既不继续融化也不凝固，而是保持在了某种动态冻结的边缘。”团队研究人员解释说，“这种状态极为精妙，它的出现表明我们可以通过调控系统参数，人为构造出一种抑制热化效应的特殊环境。” 实验结果表明，在多体动力学冻结状态下，量子系统的信息保持能力得到显著提升，为实现长时间、高精度的量子传感提供了物理基础。

为量子技术实用化开辟新路径

业内专家表示，段路明团队此次取得的突破具有重要的科学意义和应用价值。从科学层面看，这一成果加深了人类对多体量子动力学行为的理解，揭示了热化过程的边界条件与调控机制，为相关理论研究提供了重要的实验依据。从应用层面看，多体动力学冻结现象的观测成功为研发新型量子传感器件奠定了物理基础，有望推动量子精密测量技术在生物医学成像、地质勘探、导航定位等领域的实际应用。 清华大学交叉信息研究院长期以来深耕量子信息与量子计算领域，段路明院士团队在量子机器学习、量子模拟、量子纠错等多个方向均有深厚积累。此次研究成果是该团队在量子物理基础研究领域的又一重要贡献。 目前，团队正围绕多体动力学冻结现象的进一步调控与规模化应用展开深入研究，试图将这一停留在实验室条件下的现象转化为切实可用的技术方案。随着研究的持续推进，量子传感技术走出象牙塔、服务于实际应用场景的未来或许并不遥远。

我科学家首次在固态自旋体系中实现多体动力学冻结 为新型量子传感技术奠定基础

近日，复旦大学研究团队在量子物理领域取得重要突破。研究人员利用金刚石中约10000个具有相互作用的氮空穴色心电子自旋作为实验平台，成功观测到多体动力学冻结现象，并基于这一发现开发出新型磁场测量技术，灵敏度较传统方案提升约2.7倍。相关研究成果发表于《自然·物理》杂志。 热化是周期性驱动的量子系统中普遍存在的动力学现象长期以来，理论界曾预言通过动力学冻结可以有效抑制热化进程，但由于实验系统复杂度极高，这一现象长期未能 在真实物理体系中得到直接观测验证。 此次研究中，科研团队通过激光与微波场对金刚石内的自旋系综进行精确调控，使相互作用自旋集合在特定驱动参数下进入一种特殊的非平衡动力学状态。实验结果显示，当驱动参数满足特定条件时，系统总自旋磁化量可保持稳定达约200个驱动周期，呈现出明显的动力学冻结特征；而当驱动参数偏离冻结条件后，系统迅速表现为热化行为。这一实验发现首次在大规模固态自旋体系中证实了涌现守恒量在抑制热化过程中的核心机制作用。 论文通讯作者介绍，该成果的意义不仅在于首次在多体量子体系中观察到动力学冻结现象，更重要的是揭示了一种全新的热化抑制机制——基于涌现守恒量的动力学调控方案。这一 机理的阐明为理解和控制量子系统的非平衡动力学提供了重要理论基础。 在应用层面，研究团队已将上述机制应用于磁场测量领域。实验表明，采用新技术方案的磁场探测器在灵敏度指标上实现了约2.7倍的性能提升，有效突破了传统技术方案的性能瓶颈，显著增强了对微弱磁信号的探测能力。据介绍，该方案仅需全局调控即可实现，操作简便，具有较强的实用价值。 谈及后续研究计划，团队成员表示，将进一步优化基于该机制的量子传感性能指标，在持续提升灵敏度的同时，推动这一新型传感方案在多学科领域的广泛应用。潜在应用场景包括超导材料与铁磁材料的磁性测量、活体细胞内部温度与磁场等物理参数的精确探测等，相关研究将为凝聚态物理、化学及生物医学等前沿交叉领域提供新的技术手段。