雖然能源消耗一直是現(xiàn)代工業(yè)和社會(huì)的主要關(guān)注點(diǎn)，但量子技術(shù)很少考慮到能耗問題。特別是，直接由可再生能源驅(qū)動(dòng)的量子技術(shù)的潛力長期被忽視。量子系統(tǒng)的初始化、操作和讀出通常需要高耗能的設(shè)備，如稀釋制冷機(jī)、微波功率放大器和高功率激光器。

目前，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)杜江峰團(tuán)隊(duì)展示了太陽光驅(qū)動(dòng)的量子磁力計(jì)：通過直接利用環(huán)境能量，為量子技術(shù)的能源消耗問題帶來了潛在的解決方案[1]。

論文即將發(fā)表在《物理評論X能源》期刊

01 展示太陽光驅(qū)動(dòng)的量子磁力計(jì)

經(jīng)過實(shí)驗(yàn)，團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了一條直接利用太陽能來引導(dǎo)金剛石中帶負(fù)電的氮-空位(NV)中心的量子態(tài)途徑，而氮-空位中心是過去幾十年中最有前途的固態(tài)量子系統(tǒng)之一。通過這種方式，實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)展示了太陽光驅(qū)動(dòng)的量子磁測量：這種量子磁力計(jì)的初始化和讀出直接由陽光實(shí)現(xiàn)，而傳統(tǒng)的微波操作可以通過使用無微波方案來消除。

傳統(tǒng)激光器需要消耗100瓦左右的電力：就像保持一個(gè)明亮的燈泡燃燒；而該團(tuán)隊(duì)的這項(xiàng)創(chuàng)新有可能使量子傳感器擺脫這種能源需求。通過直接利用環(huán)境能量，這一方法為量子技術(shù)的能源消耗問題帶來了潛在的解決方案。這種技術(shù)也可以進(jìn)一步擴(kuò)展到多個(gè)量子系統(tǒng)，從而為未來的環(huán)境可持續(xù)量子技術(shù)和自供電量子傳感打開了大門。

光線穿過一個(gè)金剛石傳感器，該傳感器是測量磁場的陽光驅(qū)動(dòng)型量子設(shè)備的核心。

02 如何利用太陽光？無需將太陽能轉(zhuǎn)換為電能

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的物理學(xué)家杜江峰院士說[2]，“最大的困難在于該設(shè)備如何利用陽光：它不使用太陽能電池將光轉(zhuǎn)換成電。相反，太陽光需要完成激光的工作。”

量子磁力計(jì)通常包括一個(gè)強(qiáng)大的綠色激光器來測量磁場。激光照射在含有原子缺陷的金剛石上：當(dāng)?shù)尤〈思兘饎偸械囊恍┨荚訒r(shí)，就會(huì)產(chǎn)生“氮-空位”缺陷。綠色激光使氮空位產(chǎn)生熒光，發(fā)出的強(qiáng)度取決于周圍磁場的紅光強(qiáng)度。

綠色光照在量子設(shè)備中基于金剛石的傳感器上，可用于測量磁場。在這個(gè)原型中，一個(gè)透鏡（頂部）收集太陽光，它被過濾后只留下綠色波長的光。這種綠光為傳統(tǒng)量子設(shè)備所依賴的高耗能激光器所產(chǎn)生的光線提供了一種環(huán)保的替代品。

新的量子傳感器也需要綠光。陽光中存在大量的綠光，從樹葉和草地反射的綠色波長中可以看出。為了收集足夠的綠光來運(yùn)行他們的磁力計(jì)，杜江峰團(tuán)隊(duì)用一個(gè)15厘米寬的透鏡代替了激光器來收集陽光；然后他們過濾光線以去除除了綠色以外的所有顏色，并將其集中在一個(gè)有氮原子缺陷的金剛石上。最終的結(jié)果是生成了紅色的熒光，它們可以像配備了激光的磁力計(jì)一樣顯示出磁場強(qiáng)度。

將能量從一種類型轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N類型，就像太陽能電池收集光和發(fā)電時(shí)發(fā)生的那樣，是一個(gè)固有的低效率過程。研究人員聲稱，無需將太陽光轉(zhuǎn)換為電能來運(yùn)行激光器，使他們的方法比用太陽能電池為激光器供電的效率高三倍。

03 量子和環(huán)境可持續(xù)技術(shù)融合的第一步

"我從未見過任何其他報(bào)告將太陽能研究與量子技術(shù)聯(lián)系起來，"牛津大學(xué)的物理學(xué)家Yen-Hung Lin說，他沒有參與這項(xiàng)研究。“這很可能會(huì)點(diǎn)燃人們對這一未曾探索過的方向的興趣火花，我們可以在能源領(lǐng)域看到更多的跨學(xué)科研究。”

研究人員說，對其他物理量（例如，電場、壓力）敏感的量子設(shè)備也可以從太陽光驅(qū)動(dòng)的方法中受益。特別是，基于空間的量子技術(shù)可能利用地球大氣層外的強(qiáng)烈陽光，為量子傳感器提供量身定做的光線；剩余的光，在量子傳感器不使用的波長中，可以歸入太陽能電池，為處理量子信號(hào)的電子裝置供電。