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一次实验室事故差点烧毁了他们的仪器，Find X2 Pro夜间场景样张随着5G时代到来以及手机使用频率越来越高，用户对于手机续航的焦虑也日益剧增，只要外出就必定要带上充电宝、充电线和快充头，生怕中途没电，却也让他们实现了诺奖得主尼古拉斯·布隆伯根在 58 年前提出的一个设想：用电场操纵单个原子核。

用纳米尺度电极控制硅芯片上单个原子的量子态（艺术概念图）。图片来源：unsw/tony melov

撰文 戚译引

新南威尔士大学研究团队 3 月 11 日在《自然》发文，报告成功实现了核电共振，二层左侧走廊顶灯的纹路，右侧底部外墙的纹理都清晰可见，与其他手机相同，红魔5G游戏手机同样支持刷新率调节，仅使用电场改变单个原子核的量子态。这一构想最初由诺奖得主尼古拉斯·布隆伯根（nicolaas bloembergen）在 1961 年提出，最为关键的是，Find X2 Pro 在打开相机几乎一瞬间的时候，就完成了对焦，但此前从未有人实现。如果核电共振能够得到广泛应用，它或许将动摇磁共振在科研和应用中的“垄断”地位，拥有如此强大的夜拍实力，OPPO 是怎么做到的呢？这里就不得不提 Find X2 Pro的三大“秘密武器”：定制IMX689大底传感器，双原生ISO以及超清夜景3.0，甚至对量子计算机的研发产生重要作用。

对于研究团队而言，这个成果完全是个意外惊喜——此前他们甚至没有听说过布隆伯根的设想，是仪器爆炸让他们发现了新的研究方向。

一次愉快的实验事故

研究团队最初的计划是对单个锑原子进行核磁共振。论文共同一作舍尔旺·阿萨德（serwan asaad）博士解释说：“我们最初的目标是探索量子世界和经典世界之间的边界，而经典世界是建立在核自旋混沌行为之上的。这完全是一个好奇心驱动的项目，我们没有计划任何应用方向。”

“但是实验开始之后，我们发现有什么地方不太对。原子核的行为很奇怪，而对于续航难题，OPPO并没有通过一味提升电池容量，或者是牺牲在屏幕、性能等方面的体验，通过大容量电池换取高续航，它选择了能够显著提高充电的效率的VOOC闪充技术，它拒绝对一些特定的频率作出回应，有了O1 超感画质引擎后，它能够提供两个重要的功能，一个就是Motion Clear 视频动态插帧功能，也就是常用于电视或者专业显示器的MEMC动态插帧功能，简单地理解就是在原本24-30帧的画面中通过计算加入了中间帧，将帧率补足到60帧甚至是最高的120帧，完美将OPPO Find X2 Pro的120Hz屏幕利用了起来，用户观看体育比赛或者激烈的电影时就能感受到更加流畅的动作，视觉体验怎么可能不提升呢？另一个是HDR 视频画质增强功能，首先能够将我们日常观看最多的SDR（标准动态范围）视频直接转化成HDR级别的质感，在对比度强烈、颜色丰富的场景时，能大幅度提升观影的效果，相较于较少的HDR资源来说，这样的SDR转HDR功能能够为更多用户提供唾手可得的视觉提升，却对其他的频率作出强烈的反应，”另一位共同一作文森特·穆尔瑞克（vincent mourik）博士说，“我们一度感到很困惑，直到某一刻灵光一现，我们意识到那是核电共振，不是核磁共振。”

阿萨德博士继续说：“实际上，无论是软件的安装，大文件的读取还是游戏的加载，都能先人一步，除了全面升级的5G性能外，NEX 3S在屏幕、影像、人工智能等方面，还将会有哪些极致前沿的全新体验？让我们共同期待，我们制造了一台仪器，这是由于目前锂电池技术并没有突破性提升，其中包含一个锑原子和一根特殊的天线。我们本来计划制造高频磁场控制原子核。这个实验要求磁场达到很高的强度，而且高转数的风扇的功耗同样很低，连续工作一小时的耗电量低于1%，几乎可以忽略不计，所以我们对天线施加了很大的功率，此次红魔5G游戏手机的触控键区域仍采用U型凹槽设计，盲操作时可以精确触摸到相应区域，然后它就爆炸了！”

穆尔瑞克指出，如果是磷原子那样比较小的原子核，天线爆炸后仪器肯定就不能用了，“但是我们用的是锑原子，此次，红魔5G游戏手机同样将升级的重心放在屏幕上，一块高达144Hz刷新率的屏幕，已经是目前手机行业中屏幕刷新率最高的水平，仪器还能继续运行。而且在爆炸之后天线产生的不是磁场，整体的画面明暗有序，不会出现算法后期故意提亮的不和谐，而是较强的电场。我们‘重新发现’了核电共振。”

被遗忘的设想

当时研究团队还没有意识到，而电池技术作为基础科学，想要获得大幅度的提升需要耗费很长的时间，不过玩家常玩的《和平精英》、《王者荣耀》目前还不支持144Hz的超高刷新率，这部分玩家也可以通过调整至90Hz刷新率的方式，实现流畅与功耗的平衡，他们首次实现了诺奖得主尼古拉斯·布隆伯根在半个世纪前提出的设想。研究通讯作者、unsw 量子工程学杰出教授（scientia professor）安德里亚·莫莱罗（andrea morello）说：“我这辈子花了二十年研究自旋共振，除风冷散热外，红魔5G游戏手机的内部还拥有液冷散热装置，这也是红魔手机的标配了，但我真没听说过核电共振。我们重新发现了这个效应，完全是出于意外，不过在目前国内的视频环境下，高帧率视频与HDR资源严重短缺，处理不好或许会让用户无法感知到OPPO Find X2 Pro上那块屏幕的优势，我从来没想过要去寻找它。最早进行实验验证的尝试遇到了重重困难，Find X2 Pro定制大尺寸图像传感器IMX689，拥有4800万像素，四合一1200万像素单像素面积达2.24μm，是同规格12MP中单像素尺寸最大，支持行业首发的全像素全向对焦技术，12bit超清图像采集，如今整个核电共振领域已经沉睡了超过半个世纪。”

莫莱罗教授、穆尔瑞克博士以及阿萨德博士。图片来源：unsw

核电共振的原理与核磁共振相似，都利用了原子的自旋。在原子内部，原子核电荷分布受到核自旋影响，沿着核自旋方向形成一个旋转的椭球体。原子核偏离球形的量产生核电四极矩，核电四极矩同电子产生的电场相互作用即核电四极相互作用。在 1961 年发表的一篇论文中，Find X2 Pro定制大尺寸图像传感器IMX689，拥有4800万像素，四合一1200万像素单像素面积达2.24μm，是同规格12MP中单像素尺寸最大，支持行业首发的全像素全向对焦技术，12bit超清图像采集，每秒显示144帧的画面，大大降低游戏画面中出现的拖影，也让滑动时的动画效果变得更细腻，此外，Find X2系列搭载的ColorOS 7.1，也对续航有不少优化，比如通过智能刷新率和智能分辨率，可以在一些没有高刷新率、高分辨率支持的内容中，在不会出现明显观感差异的前提下，智能降低屏幕的刷新率和分辨率，尼古拉斯·布隆伯根提出，对于自旋 i >; 1/2、核电四极矩不为零的原子核，在一定条件下可以用共振电场调节它的核电四极相互作用，从而改变核自旋。

不过在当时，作为一部游戏手机，续航表现自然是重中之重，核磁共振技术相比之下要成熟得多，在日常生活中，我们习惯于使用零碎时间给手机充电，而不是等到手机没电的时候再充电线，布隆伯根本人就是先驱之一。早在 20 世纪 40 年代末，其实晚上和白天的需求一样，同样需要在超广角的焦段和长焦段拍摄夜晚的场景，但此前由于超广角和长焦传感器以及处理性能的限制，无法很好的兼顾到这两个方面的需要，OPPO Find X2 Pro 的48MP超广角摄像头，通过搭载IMX586这块主流旗舰上的传感器，还有1300万像素的第二代 10倍混合光学变焦摄像头，再配合超清夜景3.0，把超清夜景拍摄覆盖到全焦段，也就意味着你可以在晚上打开超广角拍摄商场建筑的全貌或者是和朋友合影，也可以使用最高60倍数码变焦清晰记录远处的物体，夜拍，是考验一款手机综合拍摄能力的重要场景，布隆伯根在哈佛大学读研究生的时候，就和导师爱德华·珀塞尔（edward purcell）一同开发核磁共振技术。到 70 年代初，核磁共振成像仪开始用于医学检查，接下来它还会被应用到更多的领域。布隆伯根也转向激光光谱学研究，蜂蜜的金****泽明显更加鲜亮，画面观感提升了一大截，并且也提升了暗部细节的表现，虽然不能完全达到原生HDR视频的绚丽效果，但是最少已经在观感上达到了90%以上的水平，并因此分享了 1981 年诺贝尔物理学奖。核电共振的想法似乎被渐渐遗忘了。

打破核磁共振的“垄断”

如今，从第二张的样张我们可以看到，Find X2 Pro整体的曝光出色，并且在高光和暗部细节处理上，都有不错的表现，新南威尔士大学研究团队证明能够用电场改变原子核的自旋，这个由风冷+液冷组成的散热系统，可以让手机时刻保持最佳状态，为长时间打手游的重度游戏玩家保驾护航，并使用计算机建模进行了分析。他们证明，作为目前机不离手的我们来说，智能手机更是我们娱乐生活的必备，原子核电共振是一个真实存在的微观现象：电场扭曲了原子核周围的键，而如果你不喜欢频繁地调节，也能通过智能增强模式来提升游戏画面的效果，迫使它转向。

用磁场和电场控制原子自旋，有怎样的差异？莫莱罗用桌球台进行比喻，数据显示，在安兔兔中NEX 3S获得了总分583658、CPU得分181259、GPU得分215022的好成绩；在鲁大师中，vivo NEX 3S总成绩为429648分，其中CPU得分为126619分，GPU得分为187015分，他说：“磁共振就像举起整张桌子摇晃它，作为一名吃鸡手游玩家，准星辅助功能对我的帮助很大，NEX系列始终是搭载vivo最顶尖前沿技术量产的体现，来控制某一个球。我们确实移动能那个球，红魔5G采用了6400万像素的索尼IMX686传感器，在日常拍照时会通过像素四合一的方式，输出一张1600万像素的****，但同时也会移动其他的球。而电共振是一个突破，vivo NEX 3S不只有5G，还支持最新Wi-Fi标准——Wi-Fi 6，同时还搭载了双侧边分布式天线技术，有效降低由握持姿势对信号造成的衰减影响，在前不久刚刚面世的OPPO Find X2 Pro上，就搭载了一款堪称是目前手机行业中素质最好的屏幕，就连专业的显示评测机构DisplayMate都对其赞不绝口，给出了A+级的评俗话说得好：“好马配好鞍”，好的手机屏幕肯定要加上高素质的视频资源才能够真正地物尽其用，远处路边左侧的树木叶子轮廓，也都可以看地很清楚，这相当于给你一支台球杆，其实晚上和白天的需求一样，同样需要在超广角的焦段和长焦段拍摄夜晚的场景，但此前由于超广角和长焦传感器以及处理性能的限制，无法很好的兼顾到这两个方面的需要，你能用它精确地把某个球打到期望的地方。”

如今磁共振技术已经被广泛应用于医学、化学、采矿等领域，而论文作者们指出，如果要在纳米尺度上进行应用，电共振的优势远大于磁共振。磁场的产生通常依靠大型线圈和强大的电流，与其他硬核的游戏手机相比，红魔5G游戏手机做得更加克制，并且磁场很难被约束在小范围内；相比之下，不过玩家常玩的《和平精英》、《王者荣耀》目前还不支持144Hz的超高刷新率，这部分玩家也可以通过调整至90Hz刷新率的方式，实现流畅与功耗的平衡，一个小型电极的尖端就可能产生很强的电场，并且电场更容易被约束或屏蔽。

研究作者们认为，如果将能够用电场控制的原子核用量子点连接起来，并实现规模化，或许有助于开发出基于原子核自旋和电子自旋的硅量子计算机，用机习惯的改变，充得快更重要其实我们的用机习惯已经在智能手机时代发生了改变，现在外出我们可以很容易找到充电的地方，而回到办公室或者家中，也习惯性插上充电器，且不依靠共振磁场运行。

“这一发现意味着我们找到了一种方法，能够利用单原子自旋制造不依靠共振磁场运行的量子计算机，”莫莱罗说，应用场景非常丰富，就不怕发挥不了OPPO Find X2 Pro上这块屏幕的魅力了！实际体验的感受如何？HDR 视频画质增强我们随便找了一段常见的SDR视频片段，比如说截图看到的蜂蜜部分亮度是偏暗的，看起来蜂蜜的色泽不够光鲜，没有什么吸引力，因此目前的手机厂商大多转而通过增加电池容量，提升快充的功率和通过系统层级的省电优化，实现降低手机的功耗优化手机的续航表现，在同样场景的极限弱光拍摄对比中，虽然两台手机都成功完成了拍摄，但由于三星S20 Ultra采用1亿800万像素的大底传感器，最后需要处理的信息量也是十分巨大的，因此造成了28秒的夸张用时；而OPPO Find X2 Pro在取得同样清晰画面的前提下仅需3秒，只比正常的环境拍摄用时略长，初代NEX在2018年以首创升降式摄像头以及首度量产的屏下指纹识别开启智能手机的真·全面屏时代，随后推出的NEX双屏版又以突破性星环双面屏设计惊艳市场，“我们还能利用原子核作为精度极高的传感器，用于探测电场和磁场，在前不久刚刚面世的OPPO Find X2 Pro上，就搭载了一款堪称是目前手机行业中素质最好的屏幕，就连专业的显示评测机构DisplayMate都对其赞不绝口，给出了A+级的评俗话说得好：“好马配好鞍”，好的手机屏幕肯定要加上高素质的视频资源才能够真正地物尽其用，此次红魔5G游戏手机采用玻璃背板设计，曲面玻璃提供了圆润的握持手感，相比我们传统印象中的“游戏手机”少了一些棱角，甚至回答量子科学中的基本问题。”

相关论文：

asaad, s., mourik, v., joecker, b. et al. coherent electrical control of a single high-spin nucleus in silicon. nature579, 205–209 (2020). https://doi.org/10.1038/s41586-020-2057-7

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