中國科學技術(shù)大學與浙江大學合作，在納米尺度量子精密測量領(lǐng)域取得進展，首次實現(xiàn)了噪聲環(huán)境下糾纏增強的納米尺度單自旋探測。

01

測量最基礎(chǔ)的磁性單元

探測單個自旋，測量物質(zhì)世界最基礎(chǔ)的磁性單元，能夠為剖析物性提供新視角，并為發(fā)展單分子磁探測技術(shù)和推進量子科技奠定基礎(chǔ)。

但是，物質(zhì)存在大量自旋，對單個自旋的探測猶如在喧鬧的體育場中試圖清晰捕捉某個人的低語，這對探測技術(shù)提出了嚴峻挑戰(zhàn)。

金剛石氮—空位色心量子傳感器，憑借納米級分辨能力和高靈敏磁探測能力，被視為實現(xiàn)單自旋探測的關(guān)鍵技術(shù)途徑。研究團隊面向單自旋探測科學目標，通過長期積累，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，同時通過頻譜差異識別出帶有特殊“標記”的單自旋信號。

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

02

在喧鬧中準確捕捉信號

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

研究團隊十多年來致力于自主制備高品質(zhì)金剛石量子傳感器，通過持續(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、納米級摻雜加工、確定性色心制備、高精度微納裝配等核心工藝。

通過材料制備與量子操控兩條路徑的協(xié)同創(chuàng)新，團隊首次開發(fā)出糾纏增強型納米單自旋探測技術(shù)，在固態(tài)體系中同步提升了微觀磁信號靈敏度與空間分辨率，為納米尺度量子精密測量技術(shù)的發(fā)展開辟了道路。

在材料制備方面，團隊利用自主研發(fā)的超純金剛石生長與納米精度定點摻雜技術(shù)，制備出間距小至5納米的氮—空位色心對結(jié)構(gòu)。這種精確的空間控制是實現(xiàn)后續(xù)量子糾纏增強探測的關(guān)鍵基礎(chǔ)。

在探測方法方面，團隊將一對色心制備成特殊的量子糾纏態(tài)。這種狀態(tài)可使它們“過濾”遠端的相同背景噪聲，同時協(xié)同“聚焦”并放大近端目標單自旋的獨特信號。這一巧妙的策略解決了“信號放大”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)增強的納米尺度單自旋傳感示意圖

▲基于糾纏態(tài)增強的暗自旋探測實驗

03

為量子計算奠定基礎(chǔ)

這一研究實現(xiàn)了三個突破——成功區(qū)分并探測到相鄰的兩個"暗"電子自旋，在嘈雜環(huán)境中將探測靈敏度提升至單傳感器水平的3.4倍，可實時監(jiān)測并主動調(diào)控不穩(wěn)定自旋的信號。

該成果實驗驗證了量子糾纏在納米尺度傳感中的優(yōu)勢與潛力，標志著金剛石量子傳感器具備作為納米磁強計的潛力，為原子層面研究量子材料打開新窗口，將為凝聚態(tài)物理、量子生物學和化學等領(lǐng)域提供新的研究工具。

同時，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)室溫金剛石量子計算奠定了關(guān)鍵基礎(chǔ)。

論文鏈接：

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