这类设备对医疗诊断和环境安全大有帮助。

借助不断出现、消失的虚粒子，一种新型量子传感器可以检测极微小的振动，进而识别分子。研究人员表示，未来某一天，这种新型设备将会帮助我们诊断疾病，追踪检测工厂与自然环境中的微量污染物。

分析分子振动的传统技术一直受到一种因素的限制：技术使用的光与所探测物质之间的相互作用很微弱。这导致探测信号常常很不明显，很容易淹没在背景噪声中，并且难以从血液、组织等复杂生物环境中区分出来。

在2025年8月发表的一项新研究中，研究人员希望在光与分子振动之间创造更强的相互作用。他们借助12纳米厚的高反射率金制镜子制造出直径约6毫米的光学腔。为什么要用这种方法？要想知道问题的答案，我们首先得窥视原子的量子世界。

量子物理学的奇异特性告诉我们，宇宙本质上是模糊不清的。举例来说，你永远不可能同时知道某个亚原子粒子的动量和位置。这种不确定性的一大结果就是：空间——比如前面提到的光学腔内的区域——永远不可能处于完全空的状态，因为有所谓的“虚粒子”不断在空间中冒出、消失。

光学腔迫使虚光子（或者所有光粒子）来回反射，从而帮助它们与封闭在腔体内分子的振动耦合。虚光子和分子振动充分交织后便形成了一种新的混合量子态，接着，研究人员就可以利用红外光分析这些振动极化子。

这项技术进步需要三个条件。一是精确的纳米光子工程技术，牢牢地把光约束在与振动耦合的状态下。二是认识量子杂化态方面的理论进展。三是能够分辨光子信号极微小变化的现代光谱工具。直到最近，这三个条件才全都成熟到我们能把它们结合并应用的程度。

在这项新研究的相关实验中，新型量子传感器通过分析这些极化振动子的光谱特征便能识别溶解在有机溶剂中的一种有机分子4-巯基苯甲腈。

约翰 · 霍普金斯大学机械工程系教授伊山 · 巴尔曼（Ishan Barman）说：“过去我们常常认为量子杂化光-物质状态是高度抽象的理论结果，但现在发现我们可以借助这种状态更容易地探测分子。我们还据此找到了一种提高分子探测灵敏度的方法，使得探测能力大大超出经典光学的范畴。”

相关实验确实在现实环境条件下实现了目标，不需要高度真空、极低温等通常需要保持脆弱量子态的极端实验室环境。

巴尔曼说：“我们现在开辟了一条在现实条件下利用量子态检测分子的道路。从大方向上来说，量子物理学在这里不再只是一种满足好奇心的手段，我们完全可以利用它构建应用于医学健康、社会安全、环境保护等领域的现实世界传感器。”

在巴尔曼的设想中，最后的产品应该是高密度的微芯片级别量子传感器。这种传感器的潜在应用有许多，比如：可以在疾病极早期就检测到痕量相关分子的医学诊断；药物或疫苗生产过程中的实时分析；检测极低浓度有害物质（哪怕是一个分子都会产生危害）的环境监测。

未来的相关研究需要证明这些量子传感器可以在真实世界中的相关临床环境中发挥作用。巴尔曼说：“我们还想把这类传感器集成到便携式即时护理设备中。当然，这需要精巧的材料工程技术和智能设备设计方案。”

资料来源 IEEE