本期导读：

1.量子光如何将噪声“挤出”显微镜

2.一种快速准确检测新冠肺炎的高灵敏度纳米压印传感器平台

3.NIST发现通过测量血流量提高癌症诊断准确性的新方法

4.量子传感器：测量更精确

量子光如何将噪声“挤出”显微镜

激光通常被用作显微镜的光源。但即使是最好的激光也有“量子噪声”，会使图片模糊并隐藏细节，导致测量结果不够精准。

研究人员设计了一种新型显微镜，它使用压缩光来降低测量不确定性。与目前传统的显微镜不同，这种量子显微镜需要量子理论来描述其灵敏度，使用特殊的“非线性”放大器来产生称为压缩光的量子光源。这种方法使特定科学测量的灵敏度提高了50%。

原子力显微镜可用来来测量纳米级材料的特性，而这种新方法降低了原子力显微镜的不确定度，可以为科学家带来一些对材料特性的新认知。

通过充分的压缩，这种方法可以揭示传统显微镜无法测量的快速电子相互作用。此外，压缩光对显微镜的加热程度远低于激光，这对于在极低温度下工作的显微镜或对温度变化敏感的材料尤其重要。具有降低不确定性、更高速度和更低温度的显微镜将为量子材料和量子器件的新研究打开大门。

量子显微镜依赖于对光波的极其精细的控制，但其灵敏度通常受到光损耗的限制。在这项研究中，科学家们用一种叫做“压缩光”的特殊类型的纠缠光来规避这个问题，“挤压”意味着光束的强度在量子水平上相互关联，从而降低测量中的噪声，提高信噪比。通过增加参考信号的功率并同时增加压缩，现在可以显着提高显微镜的灵敏度。

来源：ASM International

一种快速准确检测新冠肺炎的高灵敏度纳米压印传感器平台

约翰霍普金斯大学研制的新冠检测传感器可以更快速、更准确地进行病毒检测，彻底改变新冠检测。其创新之处在于它采用的是一种无标记技术，这意味着不需要额外的化学修正，如分子标记或抗体功能化。Barman说这项尚未上市的新技术解决了两种最广泛使用的新冠检测（PCR检测和快速检测）的局限性。

PCR检测非常准确，但需要复杂的样本制备，需要花费几个小时甚至几天时间才能出结果。而寻找抗原是否存在的快速检测方法在检测早期感染或无症状感染方面不太有效，并且可能得出错误的检测结果。

这种新研制的传感器几乎和PCR检测一样灵敏，和快速抗原检测一样方便。在最初的测试中，该传感器在检测唾液样本中的SARS-COV-2时有92%的准确率，与PCR检测相当。同时，该传感器还成功实现其他病毒的快速检测，包括H1N1病毒和寨卡病毒。

该传感器运用大面积纳米压印光刻法、表面增强拉曼光谱(SERS)和机器学习，技术关键是使用了Gracias实验室开发的大面积柔性场增强金属绝缘体天线(FEMIA)阵列。将唾液样本放置在材料上，并使用表面增强拉曼光谱进行分析，该光谱使用激光来探测样本的分子如何振动。由于纳米结构的FEMIA显著增强了病毒的拉曼信号，所以即使样品中只存在少量病毒，该系统也可以快速检测到病毒的存在。

该系统的另一个重大创新之处在于使用先进的机器学习算法来检测光谱数据中非常细微的特征，使研究人员能够确定病毒的存在和浓度。这种传感器有可能与手持式检测设备集成在一起，用于在机场或体育场等拥挤的地方进行快速筛查。

来源：Nanowerk

NIST发现通过测量血流量提高癌症诊断准确性的新方法

美国国家标准与技术研究院(NIST)的研究人员发现，在使用声波测量血液等流体的性质时，存在一个潜在的误差来源。该团队的发现提高了对某些类型的血癌进行更精确诊断测试和对血细胞进行更精确分类的可能性。

包括超声在内的所有声波都在空气、水等介质和血液等其他流体中产生高低压交替的区域。研究人员经常使用它们来研究小体积“微流体”的特性，这些流体局限于不超过信用卡厚度的容器中。

为了测量微流体血液样本的性质，研究人员使用了已知频率和能量的超声波，这种超声波是由一种压电晶体在血管底壁下方产生的，这种材料可以将电流转换为声波。穿透流体的波主要沿着底部表面在液体和壁之间流动。当声波离开流体后，科学家们能够检测到能量损失或声波频率的变化。这些测量可以揭示对测量血液流动至关重要的特性，在一些血癌患者中，血液流动可能非常缓慢。声波还可以对全血中的细胞进行分类。

NIST研究小组发现，为了保证这些性质的声学测量的准确性，应该考虑一个常被忽略的性质，即滑移。滑移是指微流体在其容器固体壁上滑动时的运动。研究人员发现，在微流体中发生的滑移与人们在聚会上经常见到的掀桌布技巧类似，即当有人猛拉桌布时，盘子和银器会被留在桌上而不随桌布滑落。(如果没有滑移的话，餐具就会和桌布一起掉下来。)

在一系列的实验中，Aurore Quelennec（现在在加拿大的Teledyne技术公司工作）和NIST的科学家Jason Gorman和Darwin Reyes发现，这种声滑移的存在会阻止微流体吸收更多的声波能量。Reyes指出，该团队的研究排除了其他几个因素，比如表面张力和容器壁的粗糙度，这些因素也可能降低了微流体吸收的声能量。

“仅由流体流动导致的滑移是很容易理解的。Gorman说:“然而，随着许多新的声流控装置在生物科学领域的出现，例如细胞分选、裂解（细胞膜的分解）和流体性质的测量，声滑移的特征描述变得越来越重要。”

流体滑移还会影响声波对一小份全血样本中的细胞进行分类的能力。在这项技术中，声波被用来推动血液中的细胞。对于给定的声波能量和强度，不同类型的血细胞会根据它们的大小和其他物理和机械特性受到不同数量的声波推动，从而导致分离。但由于滑移降低了能量和压力的传递，分拣过程的质量将下降。

Reyes说:“如果能够认识到滑移的真正作用，它将使微流体的声学测量达到可能的最高精度，并推动生物学和医学的未来测量。”

来源：NIST

量子传感器：测量更精确

原子钟是人类有史以来建造的最好的传感器。如今，在国家标准机构或导航系统卫星中都可以找到它们的身影。全世界的科学家都在努力进一步优化这些时钟的精度。

目前，由奥地利因斯布鲁克的理论家Peter Zoller领导的一个研究小组使用了一种量子信息处理方法：变分量子算法描述了一个依赖于自由参数的量子门电路。通过优化程序，传感器自动找到最佳设置以获得最优结果。借助新方法，科学家们可以优化量子传感器，使其达到技术上可以达到的最佳精度。这种方法与制造传感器的技术平台无关，可用于以更高的精度操作传感器。

一段时间以来，人们认为利用量子力学纠缠可以使原子钟运行得更精确。然而，对于此类应用，一直缺乏实现鲁棒纠缠的方法。

因斯布鲁克的物理学家们现在正在使用的定制纠缠，其精确度已适应现实世界的需求。他们通过这种方法准确地生成了由量子状态和测量值组成的组合，这对于每个单独的量子传感器都是最佳的。这种方法使传感器的精度可以根据自然法则接近可能的最佳值，而开销仅略有增加。

这一理论概念首次在因斯布鲁克大学实施，由Thomas Monz和Rainer Blatt领导的研究小组在Nature杂志上报道("Optimal metrology with programmable quantum sensors")。

来源：Nanowerk