我科学家在纳米尺度量子精密测量领域获重大突破

日前，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取得重大突破，首次实现了噪声环境下纠缠增强的纳米尺度单自旋探测。相关研究成果在线发表于《自然》杂志。

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。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，对物质世界最基础的磁性单元进行测量，不仅能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。然而，由于物质中含有大量自旋，对单个自旋的探测相当于在喧闹的体育场中清晰捕捉某个人的窃窃私语，这对相关技术提出挑战。

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。“我们朝着单自旋探测的科学目标，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。”团队成员告诉记者。

据了解，研究团队在十多年里着力于高品质金刚石量子传感器的自主制备，打通了涵盖二十多道环节的完整工艺流程，掌握了其中的关键工艺。他们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道路。

据介绍，这项突破性技术实现了三大重要进展：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；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。相关金刚石氮空位色心的可控制备与量子纠缠调控技术也是实现室温金刚石量子计算的关键基础。