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固態量子傳感器提供了檢測磁場、電場或溫度的新方法，其超高靈敏度接近量子極限。到目前為止，氮空位（NV）中心是最有前景的平臺之一，NV中心是金剛石中的一種光尋址缺陷，在室溫下具有特殊的電子自旋特性。其電子自旋態可以通過光學檢測磁共振技術進行實驗檢測，該技術包括掃描微波（MW）頻率，同時記錄相應熒光強度作為時間函數。
共聚焦和寬場熒光顯微鏡等定制方法已成為量子傳感測量的金標準。特別是，寬場金剛石量子傳感方法可實現并行讀出空間分辨NV熒光，為許多領域提供了巨大的應用潛力。自首次實驗演示以來，基于NV的寬場量子傳感平臺已在生物醫學、凝聚態物理和集成電路（IC）檢測等領域得到了快速發展和充分利用。
在持續提高其測量精度和空間分辨率的同時，研究重點也開始轉向時域，以實現超快光探測磁共振（ODMR）。這一擴展有望實現動態信號監測，如神經元動作電位以及細胞活動相關的溫度變化。然而，這一方向仍然面臨處理大量圖像幀數據的挑戰，這些數據需要從相機傳感器傳輸以進行進一步處理。
這種數據傳輸會顯著限制時間分辨率，由于使用了基于幀的圖像傳感器，其時間分辨率通常不超過100 fps。因此，寬場磁力計在動態測量中的潛力仍然有待挖掘。
已有一些研究提出了不同的方法來提高寬場量子傳感的時間分辨率，包括下采樣方法（引入了潛在的偽影）、頻率復用（實現復雜但速度有限）、采用單光子雪崩二極管（SPAD）的先進傳感陣列（需要復雜的電路集成），以及使用鎖定相機的像素內解調（犧牲了傳感精度）。
然而，監測到的熒光強度隨圖像幀（與大量數據相關）的變化存在本質局限性，導致寬場量子傳感性能不盡如人意。據麥姆斯咨詢介紹，為了克服這一瓶頸，香港大學（The University of Hong Kong）的研究人員提出采用神經形態視覺相機來預處理傳感器邊緣的熒光強度數據，減少后處理傳輸的數據量，顯著提高了時間分辨率，進而實現快速動態測量。
寬場量子傳感的概念、設計和實現
與記錄光強水平的傳統傳感器不同，神經形態視覺傳感器將光強變化處理為類似生物視覺系統的“尖峰”，從而提高時間分辨率（≈μs）和動態范圍（>120 dB）。這種方法對于圖像變化不頻繁的場景特別高效，例如物體跟蹤和自動駕駛汽車等，因為它能消除冗余的靜態背景信號。
基于事件的ODMR理論背景
近來，這項技術在精密儀器測量領域獲得了關注，例如光學顯微鏡中的快速聚焦、動態磁光克爾效應（MOKE）顯微鏡、快速細胞流分選、振動測量、快速跟蹤以及超分辨率成像等新興應用。鑒于MW時空編碼的熒光強度僅在諧振頻率附近變化，因此變化很少，金剛石量子傳感成為利用該方案優勢的理想選擇。
據香港大學研究人員稱，這是首次報道神經形態視覺傳感器在寬場金剛石量子傳感中應用的研究。具體來說，研究人員開發了一種自定義且高效的協議來處理事件類的量子傳感數據，進而重建衍生的ODMR光譜。實驗結果表明，這種新方法比傳統基于幀的方法花費的時間要少得多（140 ms vs 1.82 s），同時，在18 μm x 18 μm的視場（FoV）檢測ODMR諧振頻率時實現了相近的精度（0.034 MHz vs 0.031 MHz）。
實驗演示
研究人員展示了它在監測金剛石表面（具有金納米顆粒涂層）亞秒級激光加熱方面的潛力，這是過去傳統方法無法實現的。實驗表明，其溫度監測具有0.28 s的時間分辨率和0.5 K的溫度精度。研究人員預計，所提出方案的成功演示有望革新寬場量子傳感，以可承受的成本顯著提高性能。
寬場動態溫度測量
這項研究還為開發具有更先進傳感器處理能力的智能量子傳感器鋪平了道路，并通過新興的基于記憶（memory-based）的電子突觸器件實現傳感器邊緣處理。這些進展有望進一步提高寬場量子傳感器的性能，為科學研究和實際應用帶來新的機遇。
延伸閱讀：《量子傳感器技術及市場-2023版》
豫公網安備41019702003646號