宽视场钻石量子传感与神经形态视觉传感器

(A)基于NV的宽场量子传感综述:NV中心的能级图和原子结构;以及宽视场量子金刚石显微镜实验装置。(B)显示基于帧的宽视场量子传感工作原理的示意图，其中从记录荧光强度和背景信号的基于帧的传感器输出一系列帧。(C)显示所提出的神经形态宽视场量子传感工作原理的示意图，其中荧光变化通过神经形态视觉传感器转换为稀疏的尖峰。学分:Advanced Science(2023)。DOI: 10.1002/advs.202304355

一项合作项目在提高宽场量子传感的速度和分辨率方面取得突破，为科学研究和实际应用带来了新的机遇。

通过与来自中国大陆和德国的科学家合作，该团队成功开发了一种使用神经形态视觉传感器的量子传感技术，该传感器旨在模仿人类视觉系统。该传感器能够在光学检测磁共振(ODMR)测量期间将荧光强度的变化编码为峰值。

这种方法的主要优点是，它导致高度压缩的数据量和减少延迟，使系统比传统方法更高效。量子传感的这一突破在生物系统动态过程监测等领域具有广泛的应用潜力。

该研究论文发表在《高级科学》(Advanced Science)杂志上，题为《利用神经形态视觉传感器的宽视场钻石量子传感》。该项目由香港大学(港大)电机及电子工程学系朱志琴教授、李灿教授及黄毅教授领导

“世界各地的研究人员都在努力寻找提高相机传感器测量精度和时空分辨率的方法。但是一个基本的挑战仍然存在:处理大量需要从相机传感器传输到进一步处理的图像帧形式的数据。

“这种数据传输可以显著限制时间分辨率，由于使用基于帧的图像传感器，通常不超过100 fps。我们所做的就是试图克服瓶颈，”该论文的第一作者、电气与电子工程系的博士生杜志远说。杜说，他的教授对量子传感的关注激励了他和其他团队成员在该领域开辟新天地。他还对集成传感和计算充满热情。

实验演示。测量方案、原始数据集和获得的ODMR频谱(ROI中心点)分别使用基于帧的A、C、E和基于事件的B、D、F传感器。F中的插入显示了三个不同频率点上的原始事件帧(通过累积1ms范围的事件)。E和F中的光谱分别用洛伦兹函数及其导数函数拟合，从中提取共振频率f0 (f0*为前后扫频的平均结果;误差表示10次重复测量的标准差)。学分:Advanced Science(2023)。DOI: 10.1002/advs.202304355

他补充说:“最新的发展为高精度和低延迟的宽视场量子传感提供了新的见解，并有可能与新兴的存储设备集成，以实现更智能的量子传感器。”该团队用现成的事件相机进行的实验表明，时间分辨率提高了13倍，在检测ODMR共振频率方面，与最先进的高度专业化的基于帧的方法具有相当的精度。该技术已成功应用于金刚石表面包覆金纳米颗粒的动态调制激光加热监测。杜说:“用现有的方法来完成同样的任务是很困难的。”与记录光强度水平的传统传感器不同，神经形态视觉传感器将光强度变化处理成类似于生物视觉系统的“峰值”，从而提高了时间分辨率(≈µs)和动态范围(>120 dB)。这种方法在图像变化不频繁的情况下特别有效，比如物体跟踪和自动驾驶汽车，因为它消除了冗余的静态背景信号。

朱志勤教授说:“我们预计，我们所提出的方法的成功演示将彻底改变宽视场量子传感，以可承受的成本显著提高性能。”

李灿教授说:“这也使新兴的基于记忆的电子突触设备更接近实现近传感器处理。”

黄毅教授说:“这项技术的工业应用潜力有待进一步探索，例如研究材料电流的动态变化，以及识别微芯片的缺陷。”