科学家实现纠缠增强纳米尺度单自旋量子传感

作者：王敏 来源：中国科学报

中国科学技术大学自旋磁共振实验室教授王亚等与浙江大学海洋精准感知技术全国重点实验室合作，首次实现了噪声环境下纠缠增强的纳米尺度单自旋探测。11月27日，相关研究成果在线发表于《自然》。

纠缠态增强的纳米尺度单自旋传感示意图。中国科大供图

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。材料的许多宏观特性，如磁铁的磁性或超导体的零电阻，都源于这些微观“磁针”的排列与相互作用。探测单个自旋，不仅为理解物性提供全新视角，更为发展单分子磁探测技术和推进量子科技奠定坚实基础。

金刚石氮?空位色心量子传感器，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，已能识别出带有特殊“标记”的单自旋。如何在复杂的背景噪声中，稳定捕捉任意单自旋的微弱信号，仍悬而未决。这对传感器探测灵敏度与空间分辨率提出了更高要求。

理论上，量子纠缠是突破此瓶颈的可能途径，它将探测精度逼近量子力学所允许的极限。尽管已有一些初步的原理验证，但如何实现有效的“纠缠增强”，在体系制备和操控方面均存在巨大的技术挑战。

十多年来，团队致力于高品质金刚石量子传感器的自主制备，打通了包含关键工艺在内的二十多道环节的完整工艺流程。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发展开辟了道路。

在材料制备方面，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。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。在探测方法方面，团队创造性地将一对色心制备成特殊的量子纠缠态。巧妙解决了“信号放大”与“噪声干扰”之间长期存在的矛盾，并将空间分辨率提升了1.6倍。

该研究实现了三大突破性进展：成功区分并探测到相邻的两个"暗"电子自旋；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；可实时监测并主动调控不稳定自旋的信号。

成果实验验证了量子纠缠在纳米尺度传感中的优势与潜力，金刚石量子传感器作为强大的纳米磁强计，将打开原子层面研究量子材料的新窗口，为相关领域提供革命性的研究工具。金刚石氮空位色心的可控制备与量子纠缠调控技术，为实现室温金刚石量子计算奠定了关键基础。

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