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記者從中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)獲悉，該校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，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11月27日在線發(fā)表在《自然》雜志。

電子的“自旋”是其基本屬性之一，探測(cè)單個(gè)自旋，不僅能夠?yàn)槔斫馕镄蕴峁┤乱暯?，更為發(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。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。研究團(tuán)隊(duì)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。

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)與納米精度定點(diǎn)摻雜技術(shù)，成功制備出間距小至5納米的氮—空位色心對(duì)結(jié)構(gòu)。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)。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。

研究人員表示，這項(xiàng)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。

（中國(guó)科大供圖）