雖然能源消耗一直是現代工業和社會的主要關注點，但量子技術很少考慮到能耗問題。特別是，直接由可再生能源驅動的量子技術的潛力長期被忽視。量子系統的初始化、操作和讀出通常需要高耗能的設備，如稀釋制冷機、微波功率放大器和高功率激光器。

目前，中國科學技術大學杜江峰團隊展示了太陽光驅動的量子磁力計：通過直接利用環境能量，為量子技術的能源消耗問題帶來了潛在的解決方案[1]。

論文即將發表在《物理評論X能源》期刊

01 展示太陽光驅動的量子磁力計

經過實驗，團隊發現了一條直接利用太陽能來引導金剛石中帶負電的氮-空位(NV)中心的量子態途徑，而氮-空位中心是過去幾十年中最有前途的固態量子系統之一。通過這種方式，實驗團隊展示了太陽光驅動的量子磁測量：這種量子磁力計的初始化和讀出直接由陽光實現，而傳統的微波操作可以通過使用無微波方案來消除。

傳統激光器需要消耗100瓦左右的電力：就像保持一個明亮的燈泡燃燒；而該團隊的這項創新有可能使量子傳感器擺脫這種能源需求。通過直接利用環境能量，這一方法為量子技術的能源消耗問題帶來了潛在的解決方案。這種技術也可以進一步擴展到多個量子系統，從而為未來的環境可持續量子技術和自供電量子傳感打開了大門。

光線穿過一個金剛石傳感器，該傳感器是測量磁場的陽光驅動型量子設備的核心。

02 如何利用太陽光？無需將太陽能轉換為電能

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

量子磁力計通常包括一個強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：當氮原子取代了純金剛石中的一些碳原子時，就會產生“氮-空位”缺陷。綠色激光使氮空位產生熒光，發出的強度取決于周圍磁場的紅光強度。

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

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行他們的磁力計，杜江峰團隊用一個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，并將其集中在一個有氮原子缺陷的金剛石上。最終的結果是生成了紅色的熒光，它們可以像配備了激光的磁力計一樣顯示出磁場強度。

將能量從一種類型轉變為另一種類型，就像太陽能電池收集光和發電時發生的那樣，是一個固有的低效率過程。研究人員聲稱，無需將太陽光轉換為電能來運行激光器，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 量子和環境可持續技術融合的第一步

"我從未見過任何其他報告將太陽能研究與量子技術聯系起來，"牛津大學的物理學家Yen-Hung Lin說，他沒有參與這項研究。“這很可能會點燃人們對這一未曾探索過的方向的興趣火花，我們可以在能源領域看到更多的跨學科研究。”

研究人員說，對其他物理量（例如，電場、壓力）敏感的量子設備也可以從太陽光驅動的方法中受益。特別是，基于空間的量子技術可能利用地球大氣層外的強烈陽光，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，為處理量子信號的電子裝置供電。

陽光驅動的磁力計只是量子和環境可持續技術融合的第一步。杜江峰表示：“在目前的狀態下，這個裝置主要是為了開發的目的；我們期望該設備將被用于實用目的，但是還有很多工作要做。”

參考鏈接：

[1]https://journals.aps.org/prxenergy/accepted/9607cK25D4a18803a7914f5164e2f133eb90a6171

[2]https://www.sciencenews.org/article/quantum-sensor-sunlight-environment-magnetic-field