中國科學技術(shù)大學自旋磁共振實驗室王亞教授等與浙江大學海洋精準感知技術(shù)全國重點實驗室合作，在納米尺度量子精密測量領(lǐng)域取得重要進展，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。相關(guān)研究成果以“Entanglement-Enhanced Nanoscale Single-Spin Sensing”為題于北京時間11月27日在線發(fā)表在《自然》雜志。

2025年初至今

中國科大以第一署名及通訊單位在

Nature、Science、Cell

三大國際頂尖刊物（CNS）上

共計發(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，對物質(zhì)世界最基礎(chǔ)的磁性單元進行測量，不僅能夠為理解物性提供全新視角，更為發(fā)展單分子磁探測技術(shù)和推進量子科技奠定堅實基礎(chǔ)。然而由于物質(zhì)中含有大量自旋，對單個自旋的探測相當于在喧鬧的體育場中清晰捕捉到某個人的竊竊私語，這對探測技術(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，因其納米級的分辨能力和高靈敏的磁探測能力，一直是實現(xiàn)單自旋探測的重要技術(shù)途徑。本文研究團隊朝向單自旋探測的科學目標，通過長期積累，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頻譜差異識別出那些帶有特殊“標記”的單自旋[Science 347, 1135 (2015)等]。但是如何在復雜的背景噪聲中，穩(wěn)定捕捉任意單個自旋的微弱信號，仍是懸而未決的難題。這對傳感器探測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工作，但如何在固態(tài)傳感體系中實現(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(shù)挑戰(zhàn)。十多年來，研究團隊著力于高品質(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(shù)，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(shù)的持續(xù)發(fā)展鋪平了道路。

在材料制備上，研究團隊利用自主研發(fā)的超純金剛石生長（Science Advances 11, eadr9298 (2025)）與納米精度定點摻雜技術(shù)（Science Advances 8, eabn9573 (2022)），成功制備出間距小至5納米的氮-空位色心對結(jié)構(gòu)。這種精確的空間控制，是實現(xiàn)后續(xù)量子糾纏增強探測的關(guān)鍵基礎(chǔ)。在探測方法上，研究團隊創(chuàng)造性地將一對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“無視”來自遠端的相同背景噪聲，同時協(xié)同“聚焦”并放大近端目標單自旋的獨特信號(圖1)。這一巧妙的策略，成功解決了“信號放大”與“噪聲干擾”之間長期存在的矛盾，將空間分辨率提升了1.6倍。

圖 1：糾纏態(tài)增強的納米尺度單自旋傳感示意圖。其中綠色球體為待探測的單個目標自旋，紅色球體為噪聲自旋，藍色球體為無自旋的原子（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自旋，從而實現(xiàn)單個目標自旋信號的有效探測。

圖 2：基于糾纏態(tài)增強的暗自旋探測實驗。a. 中心位置制備有氮-空位色心對的金剛石納米柱結(jié)構(gòu)示意圖。b. 不同傳感器初態(tài)的相干時間對比，其中糾纏態(tài)展現(xiàn)出最長的相干時間。c. 通過使用糾纏態(tài)傳感器分辨出周圍兩個暗自旋DS1和DS2的特征譜。d. 糾纏態(tài)傳感器探測不同暗自旋時的相干相位演化。e. 糾纏態(tài)傳感器對DS2進行探測時的靈敏度增益。f. 通過NV與暗自旋DS1構(gòu)建糾纏傳感器，對不穩(wěn)定自旋信號進行持續(xù)監(jiān)測。

這項突破性技術(shù)實現(xiàn)了三大重要進展：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；能夠?qū)崟r監(jiān)測并主動調(diào)控不穩(wěn)定自旋的信號(圖2)。該成果不僅實驗驗證了量子糾纏在納米尺度傳感中的優(yōu)勢與巨大潛力，也展示了金剛石量子傳感器能夠作為強大的納米磁強計，為原子層面研究量子材料打開新窗口，將為凝聚態(tài)物理、量子生物學和化學等領(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)室溫金剛石量子計算的關(guān)鍵基礎(chǔ)。

中國科學技術(shù)大學自旋磁共振實驗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。此項研究得到了國家自然科學基金委、科技部等資助。

論文鏈接：

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

來源：中國科大新聞網(wǎng)

編輯：曾思銘