基于神经形态成像的微颗粒阵列检测与冷却技术研究

《Nature Communications》：Neuromorphic detection and cooling of microparticles in arrays

本研究针对传统机械传感器在高真空悬浮微颗粒阵列检测中面临的数据量大、功耗高等挑战，创新性地采用神经形态事件相机（EBC）实现了多颗粒运动的高效追踪与实时反馈控制。通过冷阻尼反馈技术，团队首次成功对三个非耦合悬浮微颗粒进行同步冷却，将温度降至6.8 K，冷却效果达17 dB。该技术为大规模量子传感器阵列的构建提供了可扩展方案，在暗物质探测、引力波监测等领域具有重要应用价值。

　　

在精密传感领域，悬浮于真空环境中的微米级物体正成为革命性的探测平台。由于其极低的运动耗散和量子级控制潜力，这类系统在加速度计、健康监测器等设备中展现出独特优势。然而随着传感器尺寸的缩小，表面积与体积比增大导致热接触能耗散加剧，表面应变效应显著，严重制约了性能提升。更关键的是，构建大规模传感器阵列时，传统成像技术面临数据量爆炸、处理延迟高、功耗大等瓶颈，难以实现多目标实时控制。

为解决这一难题，伦敦国王学院物理系任玉刚等人开发了一种基于神经形态视觉的创新检测方案。研究人员利用事件相机（Event-Based Camera, EBC）特有的异步检测特性，成功对保罗陷阱中悬浮的微球阵列进行多目标运动追踪，并通过现场可编程门阵列（Field Programmable Gate Array, FPGA）系统实现实时反馈控制。这项发表于《Nature Communications》的研究，首次演示了三个非耦合微粒的同步冷却，为大规模量子传感器阵列的发展开辟了新途径。

关键技术方法主要包括：1）采用线性保罗陷阱（Paul trap）在10^-2 mbar真空环境中悬浮带电二氧化硅微球；2）利用神经形态事件相机（EBC）进行多粒子运动追踪，每个粒子仅占用25×25像素区域；3）通过FPGA处理位置数据并生成冷阻尼（cold damping）反馈信号；4）使用模拟滤波器对不同运动模式进行信号分离；5）通过控制电极施加反馈电场实现多粒子同步冷却。

神经形态成像检测悬浮颗粒阵列

研究团队通过优化保罗陷阱结构，使带电微球在库仑斥力作用下形成稳定阵列。如图1所示，EBC通过检测像素亮度变化生成事件流，以每秒100kB的低数据量实现10个微粒的同步追踪，相较传统CMOS相机数据量降低三个数量级。这种神经形态检测技术不仅具备微秒级时间分辨率和亚毫秒延迟，还支持数百微米视场范围内的高空间分辨率探测。

实时多粒子运动追踪

通过重构四个微粒的二维运动轨迹（图2），研究人员观察到阵列中存在的集体振动模式x_C^(1-4)。这些模式源于粒子间的库仑相互作用，其耦合强度可通过调节粒子间距进行控制。在后续冷却实验中，团队选择沿z轴方向进行运动控制，以规避耦合效应对独立冷却的影响。

单粒子神经形态成像冷阻尼

冷阻尼反馈通过施加与粒子速度成正比的阻力实现运动冷却。研究人员利用FPGA处理EBC位置数据，生成可调增益和相位的反馈信号。如图3所示，通过优化反馈参数，单个微粒的z轴运动温度从初始400-1500 K降至6.8 K，相当于17 dB的冷却效果。理论模型表明，冷却极限主要受反馈电路噪声S_nn和气体阻尼率Γ₀制约。

阵列微粒同步冷却

突破性的多粒子冷却实验展示了该技术的扩展能力（图4）。研究团队分别实现了单个微粒两个正交模式（x和z方向）、两个微粒z模式以及三个微粒z模式的同步冷却。尽管存在模式间串扰和滤波不完善等挑战，三粒子冷却仍达到7 dB以上效果。值得注意的是，当前系统仅受限于FPGA输出通道数量，而非检测或处理能力本身。

这项研究通过神经形态检测技术成功突破了多粒子量子控制的技术瓶颈。EBC的640×480像素传感器理论上可同时追踪500个微粒，若结合亚像素分辨率算法，更可扩展至2000个目标。随着定制化追踪算法和神经形态处理硬件的发展，该技术有望实现100 kHz以上的采样频率，为光学悬浮微粒的量子基态冷却创造条件。

实验系统的创新设计保障了研究成功实施。如图5所示的线性保罗陷阱采用四柱电极结构，配合激光诱导声波解吸（Laser-Induced Acoustic Desorption, LIAD）技术实现微粒装载。图6展示的数据处理流程中，EBC通过通用追踪算法（Generic Tracking Algorithm, GTA）输出二维位置数据，经Python脚本分路传输至FPGA系统，最终通过模拟滤波和求和放大器驱动控制电极。

该技术的普适性使其可应用于光学陷阱、磁性悬浮等不同悬浮系统。结合机器学习算法优化反馈参数，以及芯片级悬浮技术的发展，未来有望实现集成化量子传感器阵列。这种低功耗（每粒子<30 mW）、高扩展性的检测控制方案，为暗物质探测、引力波监测等前沿科学研究提供了新的技术路径，推动量子技术向宏观尺度迈进。