中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)與浙江大學(xué)合作，在納米尺度量子精密測(cè)量領(lǐng)域取得進(jìn)展，首次實(shí)現(xiàn)了噪聲環(huán)境下糾纏增強(qiáng)的納米尺度單自旋探測(cè)。

01

測(cè)量最基礎(chǔ)的磁性單元

探測(cè)單個(gè)自旋，測(cè)量物質(zhì)世界最基礎(chǔ)的磁性單元，能夠?yàn)槠饰鑫镄蕴峁┬乱暯?，并為發(fā)展單分子磁探測(cè)技術(shù)和推進(jìn)量子科技奠定基礎(chǔ)。

但是，物質(zhì)存在大量自旋，對(duì)單個(gè)自旋的探測(cè)猶如在喧鬧的體育場(chǎng)中試圖清晰捕捉某個(gè)人的低語(yǔ)，這對(duì)探測(cè)技術(shù)提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

金剛石氮—空位色心量子傳感器，憑借納米級(jí)分辨能力和高靈敏磁探測(cè)能力，被視為實(shí)現(xiàn)單自旋探測(cè)的關(guān)鍵技術(shù)途徑。研究團(tuán)隊(duì)面向單自旋探測(cè)科學(xué)目標(biāo)，通過(guò)長(zhǎng)期積累，發(fā)展出高精度的自旋量子調(diào)控技術(shù)并構(gòu)建出金剛石量子傳感核心器件與裝備，同時(shí)通過(guò)頻譜差異識(shí)別出帶有特殊“標(biāo)記”的單自旋信號(hào)。

但是，在復(fù)雜的背景噪聲中，如何穩(wěn)定捕捉任意單個(gè)自旋的微弱信號(hào)，仍是當(dāng)前的研究瓶頸，對(duì)傳感器探測(cè)靈敏度與空間分辨率提出了更高要求。

02

在喧鬧中準(zhǔn)確捕捉信號(hào)

在理論層面，量子糾纏是突破前述難題的可能途徑——可將探測(cè)精度逼近量子力學(xué)所允許的極限。盡管已有一些初步的原理驗(yàn)證工作，但如何在固態(tài)傳感體系中實(shí)現(xiàn)有效“糾纏增強(qiáng)”，在體系制備和操控方面面臨巨大的技術(shù)挑戰(zhàn)。

研究團(tuán)隊(duì)十多年來(lái)致力于自主制備高品質(zhì)金剛石量子傳感器，通過(guò)持續(xù)攻關(guān)，成功打通涵蓋二十多道環(huán)節(jié)的完整工藝流程，掌握了高純金剛石單晶生長(zhǎng)、納米級(jí)摻雜加工、確定性色心制備、高精度微納裝配等核心工藝。

通過(guò)材料制備與量子操控兩條路徑的協(xié)同創(chuàng)新，團(tuán)隊(duì)首次開(kāi)發(fā)出糾纏增強(qiáng)型納米單自旋探測(cè)技術(shù)，在固態(tài)體系中同步提升了微觀磁信號(hào)靈敏度與空間分辨率，為納米尺度量子精密測(cè)量技術(shù)的發(fā)展開(kāi)辟了道路。

在材料制備方面，團(tuán)隊(duì)利用自主研發(fā)的超純金剛石生長(zhǎng)與納米精度定點(diǎn)摻雜技術(shù)，制備出間距小至5納米的氮—空位色心對(duì)結(jié)構(gòu)。這種精確的空間控制是實(shí)現(xiàn)后續(xù)量子糾纏增強(qiáng)探測(cè)的關(guān)鍵基礎(chǔ)。

在探測(cè)方法方面，團(tuán)隊(duì)將一對(duì)色心制備成特殊的量子糾纏態(tài)。這種狀態(tài)可使它們“過(guò)濾”遠(yuǎn)端的相同背景噪聲，同時(shí)協(xié)同“聚焦”并放大近端目標(biāo)單自旋的獨(dú)特信號(hào)。這一巧妙的策略解決了“信號(hào)放大”與“噪聲干擾”之間的矛盾，并將空間分辨率提升1.6倍。

▲糾纏態(tài)增強(qiáng)的納米尺度單自旋傳感示意圖

▲基于糾纏態(tài)增強(qiáng)的暗自旋探測(cè)實(shí)驗(yàn)

03

為量子計(jì)算奠定基礎(chǔ)

這一研究實(shí)現(xiàn)了三個(gè)突破——成功區(qū)分并探測(cè)到相鄰的兩個(gè)"暗"電子自旋，在嘈雜環(huán)境中將探測(cè)靈敏度提升至單傳感器水平的3.4倍，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并主動(dòng)調(diào)控不穩(wěn)定自旋的信號(hào)。

該成果實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了量子糾纏在納米尺度傳感中的優(yōu)勢(shì)與潛力，標(biāo)志著金剛石量子傳感器具備作為納米磁強(qiáng)計(jì)的潛力，為原子層面研究量子材料打開(kāi)新窗口，將為凝聚態(tài)物理、量子生物學(xué)和化學(xué)等領(lǐng)域提供新的研究工具。

同時(shí)，相關(guān)金剛石氮空位色心的可控制備與量子糾纏調(diào)控技術(shù)，為面向?qū)崿F(xiàn)室溫金剛石量子計(jì)算奠定了關(guān)鍵基礎(chǔ)。

論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41586-025-09790-6