據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，丹麥哥本哈根大學(xué)（University of Copenhagen）的研究人員發(fā)明了一種“量子鼓（quantum drum）”，可以極其精確地測(cè)量壓力、氣體泄漏、熱量、磁性等。該量子鼓甚至可以掃描出單個(gè)病毒的形狀。目前，這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)適應(yīng)在室溫下工作，將來(lái)可能應(yīng)用于智能手機(jī)。

自古以來(lái)，人類就試圖測(cè)量周圍的世界。目前，哥本哈根大學(xué)的研究人員正在利用量子物理學(xué)定律試圖開發(fā)世界上有史以來(lái)最靈敏的測(cè)量器件之一。也許在將來(lái)的某一天，該測(cè)量器件將進(jìn)入我們每個(gè)人的生活之中。尼爾斯?玻爾研究所（Niels Bohr Institute）的研究人員通過(guò)兩種創(chuàng)新的解決方案，找到了一種將量子技術(shù)裝進(jìn)我們口袋的方法。

該器件的核心部分被稱為“量子鼓”：一種可以像鼓面一樣振動(dòng)的薄膜，但振幅很小，需要量子物理學(xué)定律來(lái)描述正在發(fā)生的事情。換句話說(shuō)，它的振動(dòng)速度非常快。這意味著該量子鼓可以用作超精密測(cè)量器件——超級(jí)量子傳感器。

“超級(jí)量子傳感器非常靈敏，原則上，我們可以在數(shù)千公里外的哥本哈根地下室監(jiān)測(cè)到身在巴黎的人是否在進(jìn)行雙腿交替跳躍運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而捕捉該場(chǎng)景。但因?yàn)檫@需要遠(yuǎn)在巴黎的人以每秒140萬(wàn)次的速度跳躍，所以這只能是想象中的實(shí)驗(yàn)。”尼爾斯?玻爾研究所的量子傳感器團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人Albert Schliesser教授笑著說(shuō)道。

撇開設(shè)想不談，超級(jí)量子傳感器是真實(shí)存在的，并且有很多潛在的用途。通過(guò)讀取量子鼓運(yùn)動(dòng)時(shí)振動(dòng)的變化，研究人員可以極其精確地測(cè)量各種各樣的物理量。

“例如，溫度的變化或氣體的存在將直接影響量子鼓的振動(dòng)方式，當(dāng)我們?cè)诹孔庸纳戏胖貌《緯r(shí)也是如此。激光可以協(xié)助我們準(zhǔn)確地讀取測(cè)量結(jié)果。但這僅僅是個(gè)開始。”Schlieser教授解釋道，“通過(guò)在薄膜上放置一小塊金屬或一小塊磁鐵，我們還可以非常精確地探測(cè)電場(chǎng)和磁場(chǎng)。”

創(chuàng)新可使每個(gè)人都能使用量子傳感器

你愿意花多少錢購(gòu)買一款超級(jí)量子傳感器？

這個(gè)問題是世界上最大的科技公司之一的首席執(zhí)行官（CEO）提出的，那時(shí)他正在參觀哥本哈根尼爾斯?玻爾研究所里Schliesser及其研究小組工作的地下室，他很想了解更多關(guān)于量子鼓的信息。

然而，在實(shí)驗(yàn)室外操作量子鼓薄膜幾乎是不可能的，因?yàn)橐_(dá)到量子狀態(tài)和極高的精度，需要將工作環(huán)境用液氦冷卻到接近絕對(duì)零度（約零下250攝氏度）。

Scliesser解釋道：“由于室溫總會(huì)不受控制的變動(dòng)，而高溫環(huán)境下的隨機(jī)變動(dòng)會(huì)產(chǎn)生噪音，淹沒測(cè)量結(jié)果。”

然而，氦冷卻裝置笨重、體積龐大且成本高昂，因而成為許多應(yīng)用的阻礙，尤其是對(duì)于消費(fèi)類設(shè)備的大批量應(yīng)用來(lái)說(shuō)。

但在近期，發(fā)表在Optica期刊上的最新研究表明，研究人員已經(jīng)證明，他們可以將自己發(fā)明的減震器和一種特殊的激光冷卻技術(shù)結(jié)合起來(lái)，即使在室溫下（即沒有氦冷卻的情況下），也能實(shí)現(xiàn)極高的精度。

這意味著超級(jí)量子傳感器可以做得非常小，足以放在芯片中。研究人員說(shuō)：“這將是一款非常小的器件。比如，該傳感器可以被安裝在半導(dǎo)體代工廠的真空系統(tǒng)內(nèi)，以監(jiān)視溫度變化及氣體泄漏。”展望未來(lái)，超級(jí)量子傳感器甚至有可能被集成到智能手機(jī)等消費(fèi)類設(shè)備中。

類似于磁共振成像（MRI）顯微鏡，量子鼓可能成為對(duì)抗病毒的武器

研究人員計(jì)劃尋求新的科學(xué)視野。來(lái)自瑞士的同事利用Schliesser實(shí)驗(yàn)室的兩個(gè)同步量子鼓，首次成功地對(duì)單個(gè)病毒的表面進(jìn)行了成像。這是通過(guò)掃描扎在病毒身上的超鋒利的針頭，并使用量子鼓測(cè)量病毒和針頭之間的力來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

目前，Schliesser和他的同事們正在探索測(cè)量病毒內(nèi)部自旋產(chǎn)生的磁力的可能性。其基本原理類似于醫(yī)院掃描儀形成的人體詳細(xì)磁共振成像，只是該方法在尺寸上小得多。這可能會(huì)產(chǎn)生一種新型強(qiáng)大的工具幫助人們了解和對(duì)抗病毒。

Schlieser說(shuō)：“我們現(xiàn)在正努力使像磁共振成像掃描儀一樣對(duì)病毒等微觀物體進(jìn)行成像成為可能。這將為健康科學(xué)提供一個(gè)新工具，除其它用途外，量子鼓可以用來(lái)研究新型病毒，以探究它們含有的蛋白質(zhì)種類。”

審核編輯：劉清