新型量子傳感器可以通過振動識別分子

這類設備對醫療診斷和環境安全大有幫助。

借現，動，一表示，未來某一天，這種新型設備將會幫助我們診斷疾病，追蹤檢測工廠與自然環境中的微量污染物。

分析分子振動的傳統技術一直受到一種因素的限制：技術使用的光與所探測物質之間的相互作用很微弱。這導致探測信號常常很不明顯，很容易淹沒在背景噪聲中，并且難以從血液、組織等復雜生物環境中區分出來。

在2025年8月發表的一項新研究中，研究人員希望在光與分子振動之間創造更強的相互作用。他們借助12納米厚的高反射率金制鏡子制造出直徑約6毫米的光學腔。為什么要用這種方法？要想知道問題的答案，我們首先得窺視原子的量子世界。

量子物理學的奇異特性告訴我們，宇宙本質上是模糊不清的。舉例來說，你永遠不可能同時知道某個亞原子粒子的動量和位置。這種不確定性的一大結果就是：空間一比如前面提到的光學腔內的區域一永遠不可能處于完全空的狀態，因為有所謂的“虛粒子”不斷在空間中冒出、消失。

光學腔迫使虛光子（或者所有光粒子）來回反射，從而幫助它們與封閉在腔體內分子的振動耦合。虛光子和分子振動充分交織后便形成了一種新的混合量子態，接著，研究人員就可以利用紅外光分析這些振動極化子。

這項技術進步需要三個條件。一是精確的納米光子工程技術，牢牢地把光約束在與振動耦合的狀態下。二是認識量子雜化態方面的理論進展。三是能夠分辨光子信號極微小變化的現代光譜工具。直到最近，這三個條件才全都成熟到我們能把它們結合并應用的程度。

在這項新研究的相關實驗中，新型量子傳感器通過分析這些極化振動子的光譜特征便能識別溶解在有機溶劑中的一種有機分子4-巰基苯甲腈。

約翰·霍普金斯大學機械工程系教授伊山·巴爾曼（IshanBarman）說：“過去我們常常認為量子雜化光-物質狀態是高度抽象的理論結果，但現在發現我們可以借助這種狀態更容易地探測分子。我們還據此找到了一種提高分子探測靈敏度的方法，使得探測能力天天超出經典光學的范疇。”

相關實驗確實在現實環境條件下實現了目標，不需要高度真空、極低溫等通常需要保持脆弱量子態的極端實驗室環境。

巴爾曼說：“我們現在開辟了一條在現實條件下利用量子態檢測分子的道路。從大方向上來說，量子物理學在這里不再只是一種滿足好奇心的手段，我們完全可以利用它構建應用于醫學健康、社會安全、環境保護等領域的現實世界傳感器。”

在巴爾曼的設想中，最后的產品應該是高密度的微芯片級別量子傳感器。這種傳感器的潛在應用有許多，比如：可以在疾病極早期就檢測到痕量相關分子的醫學診斷；藥物或疫苗生產過程中的實時分析；檢測極低濃度有害物質（哪怕是一個分子都會產生危害）的環境監測。

未來的相關研究需要證明這些量子傳感器可以在真實世界中的相關臨床環境中發揮作用。巴爾曼說：“我們還想把這類傳感器集成到便攜式即時護理設備中。當然，這需要精巧的材料工程技術和智能設備設計方案。” ？