中國科學技術大學自旋磁共振實驗室教授王亞等與浙江大學海洋精準感知技術全國重點實驗室合作，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。11月27日，相關研究成果在線發(fā)表于《自然》。
糾纏態(tài)增強的納米尺度單自旋傳感示意圖。中國科大供圖微觀世界中，電子的“自旋”是其基本屬性之一，如同一個個微小的磁針。材料的許多宏觀特性，如磁鐵的磁性或超導體的零電阻，都源于這些微觀“磁針”的排列與相互作用。探測單個自旋，不僅為理解物性提供全新視角，更為發(fā)展單分子磁探測技術和推進量子科技奠定堅實基礎。
金剛石氮?空位色心量子傳感器，一直是實現(xiàn)單自旋探測的重要技術途徑。研究團隊通過長期積累，發(fā)展出高精度的自旋量子調(diào)控技術和金剛石量子傳感核心器件與裝備，已能識別出帶有特殊“標記”的單自旋。如何在復雜的背景噪聲中，穩(wěn)定捕捉任意單自旋的微弱信號，仍懸而未決。這對傳感器探測靈敏度與空間分辨率提出了更高要求。
理論上，量子糾纏是突破此瓶頸的可能途徑，它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，但如何實現(xiàn)有效的“糾纏增強”，在體系制備和操控方面均存在巨大的技術挑戰(zhàn)。
十多年來，團隊致力于高品質(zhì)金剛石量子傳感器的自主制備，打通了包含關鍵工藝在內(nèi)的二十多道環(huán)節(jié)的完整工藝流程。通過材料制備與量子操控兩條路徑的協(xié)同創(chuàng)新，首次成功開發(fā)出糾纏增強型納米單自旋探測技術，在固態(tài)體系中實現(xiàn)了對微觀磁信號靈敏度與空間分辨率的同步提升，為納米尺度量子精密測量技術的發(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，成功制備出間距小至5納米的氮-空位色心對結構。精確的空間控制，是實現(xiàn)后續(xù)量子糾纏增強探測的關鍵基礎。在探測方法方面，團隊創(chuàng)造性地將一對色心制備成特殊的量子糾纏態(tài)。巧妙解決了“信號放大”與“噪聲干擾”之間長期存在的矛盾，并將空間分辨率提升了1.6倍。
該研究實現(xiàn)了三大突破性進展：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。
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，金剛石量子傳感器作為強大的納米磁強計，將打開原子層面研究量子材料的新窗口，為相關領域提供革命性的研究工具。金剛石氮空位色心的可控制備與量子糾纏調(diào)控技術，為實現(xiàn)室溫金剛石量子計算奠定了關鍵基礎。
相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-025-09790-6
本文鏈接：科學家實現(xiàn)糾纏增強納米尺度單自旋量子傳感http://www.sq15.cn/show-11-28758-0.html
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