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我科学家在纳米尺度量子精密测量领域获重大突破
2025年12月02日 13:38:14
来源：化工仪器网 点击量：4500
中国科学技术大学自旋磁共振实验室王亚教授等与浙江大学海洋精准感知技术全国重点实验室合作，在纳米尺度量子精密测量领域首次实现了噪声环境下纠缠增强的纳米尺度单自旋探测，将探测灵敏度提升至单传感器水平的3.4倍。
近日，中国科学技术大学自旋磁共振实验室王亚教授等与浙江大学海洋精准感知技术全国重点实验室合作，在纳米尺度量子精密测量领域首次实现了噪声环境下纠缠增强的纳米尺度单自旋探测。相关研究成果以“Entanglement-Enhanced Nanoscale Single-Spin Sensing”为题于11月27日在线发表在《自然》(Nature)杂志上。
量子精密测量是基于量子力学原理，通过主动操控量子态突破经典测量精度极限的综合性技术。该技术融合原子物理、物理光学、电子技术等多学科知识，形成了以量子相干、纠缠和压缩态为核心的技术体系，其测量精度可达纳米级，相较经典方法提升两个数量级以上。
在微观世界中，电子的自旋是其基本属性之一，如同一个个微小的磁针。金刚石氮-空位色心量子传感器因其纳米级的分辨能力和高灵敏的磁探测能力，一直是实现单自旋探测的重要技术途径。
研究团队通过长期积累，发展出高精度的自旋量子调控技术和金刚石量子传感核心器件与装备，在前期工作中已能通过频谱差异识别出那些带有特殊“标记”的单自旋。但是如何在复杂的背景噪声中，稳定捕捉任意单个自旋的微弱信号，仍是悬而未决的难题。这对传感器探测灵敏度与空间分辨率均提出了更高的要求。
为此，研究团队致力于高品质金刚石量子传感器的自主制备，“十年磨一剑”打通了涵盖20多道环节的完整工艺流程，掌握了其中的关键工艺。通过材料制备与量子操控两条路径的协同创新，首次成功开发出纠缠增强型纳米单自旋探测技术，在固态体系中实现了对微观磁信号灵敏度与空间分辨率的同步提升，为纳米尺度量子精密测量技术的持续发展铺平了道路。
在材料制备上，研究团队利用自主研发的超纯金刚石生长与纳米精度定点掺杂技术，成功制备出间距小至5纳米的氮-空位色心对结构。这种精确的空间控制，是实现后续量子纠缠增强探测的关键基础。在探测方法上，研究团队创造性地将一对色心制备成一种特殊的量子纠缠态。这种状态让它们能“无视”来自远端的相同背景噪声，同时协同聚焦并放大近端目标单自旋的独特信号。这一巧妙的策略，成功解决了长期存在的信号放大与噪声干扰之间的矛盾，空间分辨率提升1.6倍。
这项突破性技术实现了三大重要进展：一是成功区分并探测到相邻的两个“暗”电子自旋；二是在嘈杂环境中将探测灵敏度提升至单传感器水平的3.4倍；三是能够实时监测并主动调控不稳定自旋的信号。
该成果不仅实验验证了量子纠缠在纳米尺度传感中的优势与巨大潜力，也展示了金刚石量子传感器能够作为强大的纳米磁强计，为原子层面研究量子材料打开新窗口，将为凝聚态物理、量子生物学和化学等领域提供革命性的研究工具。
素材来源：中国科学技术大学
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