导语
长期制约量子传感实用化的量子热化难题迎来根本性突破。清华大学交叉信息研究院段路明院士团队首次在大规模固态自旋体系观测到多体动力学冻结现象，探明抑制量子热化全新机制，大幅提升量子传感器相干时长与探测灵敏度，相关成果已于 2026 年 5 月 28 日在线发表于国际顶级期刊《自然》，为生物成像、地质勘探、精密导航、基础物理探测等领域开辟全新技术路线。
正文
量子传感依托电子、原子自旋等量子微观效应，可实现磁场、电场、温度、重力场的超高精度探测，是下一代精密测量、生命医学成像、资源勘探、国防导航的核心底层技术。但数十年来，量子热化效应始终是行业难以逾越的 “拦路虎”。
科研人员解释，量子热化如同量子信息的 “黑洞”：大量自旋粒子相互作用时，原本有序携带测量信号的量子态会快速无序扩散、趋于热平衡，测量携带的微弱信息快速衰减丢失；尤其周期性驱动量子传感系统中，外部能量持续注入会加速热化，直接压缩传感器有效工作时间、大幅削弱探测极限，限制多自旋系综量子传感器性能上限。理论学界早年曾预言 “动力学冻结” 可阻断热化进程，但受实验平台操控精度、大规模自旋协同调控难度限制，该物理效应始终无法在真实固态体系复现观测。
此次攻关中，团队以金刚石材料内近万个氮 — 空穴（NV）色心电子自旋构建大规模相互作用量子实验平台，通过精准调控激光、微波交变驱动场，让海量自旋体系进入独特非平衡量子动力学状态，成功实现动力学冻结。实验数据证实：在最优驱动参数下，系统自旋磁化信号可稳定维持 200 个驱动周期，量子相干保持时长较传统方案提升一个数量级；一旦偏离冻结调控条件，系统会迅速发生热化，直观验证涌现守恒量是压制热化、锁住量子信息的核心底层机制。
团队同步将该抑制机制落地磁场量子传感原型样机。对比传统金刚石量子磁力计，新方案微弱磁信号探测灵敏度提升 2.7 倍，无需严苛超低温环境，兼顾高空间分辨率与长稳定测量窗口，解决了传统设备短时测量、信号易失真的痛点。
段路明院士表示，本次研究兼具基础物理与工程应用双重价值：一方面填补大规模多体量子非平衡动力学实验空白，完善量子热化基础理论体系；另一方面彻底破除多自旋量子传感规模化应用的核心障碍。
应用前景广阔，赋能多产业升级
该突破性技术落地后将释放多重产业价值：
- 生物医学检测：可实现细胞、神经元内部微弱磁场无损伤纳米级成像，助力早期肿瘤、神经疾病无创诊断；
- 地质资源勘探：地下微弱地磁异常信号探测距离、精度显著提升，降低油气、矿产勘探成本；
- 高端惯性导航：无卫星环境下自主导航精度、续航大幅优化，适配航空、深海、地下特种装备；
- 前沿基础物理：支撑暗物质、基本粒子微弱信号捕捉，为宇宙基础物理研究提供高性能探测工具。
业内专家评价，此次成果标志我国在固态量子精密测量赛道形成原创核心技术，打破热化瓶颈带来的性能天花板，加速量子传感从实验室原型走向商业化、小型化设备，推动我国量子精密测量产业领跑全球前沿赛道。
结尾
下一步，研究团队将基于动力学冻结机制，推进小型化、集成化金刚石量子传感器样机开发，优化激光与微波集成操控模块，联合医疗、地质、航天单位开展场景化落地验证，持续挖掘多体量子非平衡态在量子计量、量子成像领域的创新潜力。
