基于金刚石NV色心阵列的温度场超快探测与识别量子传感器
在环境监测、生物医学传感及先进能源系统的热管理中，对温度场进行快速探测与识别具有重要应用价值。传统温度传感系统多采用冯·诺依曼架构，将传感阵列、存储模块和处理器分别独立设置，导致整体系统存在响应延迟大、能耗高、硬件成本居高不下的问题。随着传感与人工智能技术的进步，科研界正致力于开发新型架构，以去除传统系统中传感单元与数据处理模块之间的冗余接口，从而提升整体性能。
根据麦姆斯咨询的报道，中北大学刘俊教授、唐军教授、郭浩教授团队联合中国科学院半导体研究所王丽丽研究员团队，提出了一种基于金刚石阵列的温度场超快探测与识别量子传感器（TDI-DQS）。该设备在统一的传感器内计算（ISC）架构中，集成了温度感知与实时处理功能。其工作原理依赖于温度与金刚石中氮空位（NV）色心零场分裂之间的强线性关系，并通过多参数微波调制，实现了频率固定的温度传感，响应速度与响应度均可调节。实验结果显示，其单次探测与识别延迟仅为196.8 μs，为构建可扩展的高速、低功耗智能温度传感系统提供了新思路。
该研究中的TDI-DQS传感器，采用金刚石NV色心阵列作为核心传感单元。其创新点在于将传感、存储与计算功能集成于同一物理平台上，从而在传感器内部完成数据处理任务，实现低延迟计算。该器件由结构化的金刚石阵列与并行补偿电阻阵列构成，通过矩阵-向量乘法运算与基尔霍夫电流定律，模拟执行全连接人工神经网络（ANN）计算。这一方案融合了量子传感的高响应性能与ISC架构的计算效率，有效避免了传统系统中因数据传输带来的性能瓶颈。
图1 温度场超快探测与识别金刚石量子传感器（TDI-DQS）
研究人员对TDI-DQS的响应时间进行了系统评估，将其分解为热响应与光响应两个阶段。通过热传导模拟与脉冲激光系统实验，测得热响应时间为196.7 μs，光响应时间约为113.6 ns，总延迟约为196.8 μs。相比传统热传感器，这一性能指标显著优于现有水平。团队指出，未来通过提升运算放大器的带宽及优化光电探测器的性能，有望进一步缩短响应时间，推动该技术在超高速温度场监测中的应用。
图2 TDI-DQS的超快响应速度与可调响应性特性测试
为了全面验证TDI-DQS的探测与识别能力，研究团队搭建了专门的测试平台。实验结果表明，该传感器在探测不同热源的温度分布时，三通道输出电流与理想模型高度一致，说明其具备良好的环境抗干扰性能。考虑到金刚石传感器对磁场的敏感特性，研究人员在子像素尺度上引入了三单元差分结构，有效抑制了磁干扰带来的误差。这些测试结果验证了TDI-DQS在复杂环境中实时、精准识别温度场的能力，凸显其在智能热诊断中的应用潜力。
图3 基于TDI-DQS进行超快温度场探测与识别
这项研究提出了一种融合金刚石NV色心阵列与传感器内计算架构的新型温度传感方案。通过将量子传感的高精度与类神经网络计算结合，构建了一个集成度高、能耗低、成本可控的智能温度传感系统。在实际热环境下的测试表明，该传感器具备出色的多目标识别能力，为能源系统监测、生物医学检测和高端工业应用等领域提供了新的技术选择。
论文信息：https://doi.org/10.1038/s41378-025-01076-1
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