中國(guó)科大實(shí)現(xiàn)糾纏增強(qiáng)納米尺度單自旋量子傳感

中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)自旋磁共振實(shí)驗(yàn)室王亞教授等與浙江大學(xué)海洋精準(zhǔn)感知技術(shù)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室合作，在納米尺度量子精密測(cè)量領(lǐng)域取得重要進(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)。相關(guān)研究成果以“Entanglement-Enhanced Nanoscale Single-Spin Sensing”為題于北京時(shí)間11月27日在線發(fā)表在《自然》雜志。

2025年初至今

中國(guó)科大以第一署名及通訊單位在

Nature、Science、Cell

三大國(guó)際頂尖刊物（CNS）上

共計(jì)發(fā)表了14篇成果

在微觀世界中，電子的“自旋”是其基本屬性之一，如同一個(gè)個(gè)微小的磁針。材料的許多宏觀特性，如磁鐵的磁性或超導(dǎo)體的零電阻，都源于這些微觀“磁針”的排列與相互作用。探測(cè)單個(gè)自旋，對(duì)物質(zhì)世界最基礎(chǔ)的磁性單元進(jìn)行測(cè)量，不僅能夠?yàn)槔斫馕镄蕴峁┤乱暯牵鼮榘l(fā)展單分子磁探測(cè)技術(shù)和推進(jìn)量子科技奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。然而由于物質(zhì)中含有大量自旋，對(duì)單個(gè)自旋的探測(cè)相當(dāng)于在喧鬧的體育場(chǎng)中清晰捕捉到某個(gè)人的竊竊私語(yǔ)，這對(duì)探測(cè)技術(shù)提出了前所未有的挑戰(zhàn)。

金剛石氮?空位色心量子傳感器，因其納米級(jí)的分辨能力和高靈敏的磁探測(cè)能力，一直是實(shí)現(xiàn)單自旋探測(cè)的重要技術(shù)途徑。本文研究團(tuán)隊(duì)朝向單自旋探測(cè)的科學(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)[Nature 461, 1265 (2009)等]和金剛石量子傳感核心器件與裝備，在前期工作中已能通過(guò)頻譜差異識(shí)別出那些帶有特殊“標(biāo)記”的單自旋[Science 347, 1135 (2015)等]。但是如何在復(fù)雜的背景噪聲中，穩(wěn)定捕捉任意單個(gè)自旋的微弱信號(hào)，仍是懸而未決的難題。這對(duì)傳感器探測(cè)靈敏度與空間分辨率均提出了更高的要求。

理論上，量子糾纏是突破此瓶頸的可能途徑，它能將探測(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)有效的“糾纏增強(qiáng)”，在體系制備和操控方面均存在巨大的技術(shù)挑戰(zhàn)。十多年來(lái)，研究團(tuán)隊(duì)著力于高品質(zhì)金剛石量子傳感器的自主制備，十年磨一劍，打通了涵蓋二十多道環(huán)節(jié)的完整工藝流程，掌握了其中的關(guān)鍵工藝。通過(guò)材料制備與量子操控兩條路徑的協(xié)同創(chuàng)新，首次成功開(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)體系中實(shí)現(xiàn)了對(duì)微觀磁信號(hào)靈敏度與空間分辨率的同步提升，為納米尺度量子精密測(cè)量技術(shù)的持續(xù)發(fā)展鋪平了道路。

在材料制備上，研究團(tuán)隊(duì)利用自主研發(fā)的超純金剛石生長(zhǎng)（Science Advances 11, eadr9298 (2025)）與納米精度定點(diǎn)摻雜技術(shù)（Science Advances 8, eabn9573 (2022)），成功制備出間距小至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)方法上，研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造性地將一對(duì)色心制備成一種特殊的量子糾纏態(tài)。這種狀態(tài)讓它們能“無(wú)視”來(lái)自遠(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)(圖1)。這一巧妙的策略，成功解決了“信號(hào)放大”與“噪聲干擾”之間長(zhǎng)期存在的矛盾，將空間分辨率提升了1.6倍。

圖 1：糾纏態(tài)增強(qiáng)的納米尺度單自旋傳感示意圖。其中綠色球體為待探測(cè)的單個(gè)目標(biāo)自旋，紅色球體為噪聲自旋，藍(lán)色球體為無(wú)自旋的原子（如12C）。單自旋傳感器的有效傳感面積較大，其內(nèi)不可避免的存在其它噪聲自旋。而糾纏態(tài)傳感器能夠聚焦傳感區(qū)域，其內(nèi)的自旋可以僅存在目標(biāo)自旋，從而實(shí)現(xiàn)單個(gè)目標(biāo)自旋信號(hào)的有效探測(cè)。

圖 2：基于糾纏態(tài)增強(qiáng)的暗自旋探測(cè)實(shí)驗(yàn)。a. 中心位置制備有氮-空位色心對(duì)的金剛石納米柱結(jié)構(gòu)示意圖。b. 不同傳感器初態(tài)的相干時(shí)間對(duì)比，其中糾纏態(tài)展現(xiàn)出最長(zhǎng)的相干時(shí)間。c. 通過(guò)使用糾纏態(tài)傳感器分辨出周圍兩個(gè)暗自旋DS1和DS2的特征譜。d. 糾纏態(tài)傳感器探測(cè)不同暗自旋時(shí)的相干相位演化。e. 糾纏態(tài)傳感器對(duì)DS2進(jìn)行探測(cè)時(shí)的靈敏度增益。f. 通過(guò)NV與暗自旋DS1構(gòu)建糾纏傳感器，對(duì)不穩(wěn)定自旋信號(hào)進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測(cè)。

這項(xiàng)突破性技術(shù)實(shí)現(xiàn)了三大重要進(jìn)展：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；能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)并主動(dòng)調(diào)控不穩(wěn)定自旋的信號(hào)(圖2)。該成果不僅實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了量子糾纏在納米尺度傳感中的優(yōu)勢(shì)與巨大潛力，也展示了金剛石量子傳感器能夠作為強(qiáng)大的納米磁強(qiáng)計(jì)，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)域提供革命性的研究工具。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)也是朝向?qū)崿F(xiàn)室溫金剛石量子計(jì)算的關(guān)鍵基礎(chǔ)。

中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)自旋磁共振實(shí)驗(yàn)室博士研究生周旭和特任副研究員王孟祺為該論文共同第一作者。杜江峰院士和王亞教授為共同通訊作者。此項(xiàng)研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委、科技部等資助。

論文鏈接：

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

來(lái)源：中國(guó)科大新聞網(wǎng)

編輯：曾思銘