（香港文匯網(wǎng)記者 趙臣）記者今日（27日）從中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)獲悉，該校自旋磁共振實(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」為題於北京時(shí)間11月27日在線發(fā)表在《Nature》雜誌。

據(jù)介紹，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，都源於這些微觀「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?，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)。然而由於物質(zhì)中含有大量自旋，對(duì)單個(gè)自旋的探測(cè)相當(dāng)於在喧鬧的體育場(chǎng)中清晰捕捉到某個(gè)人的竊竊私語，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)，通過長(zhǎng)期積累，發(fā)展出高精度的自旋量子調(diào)控技術(shù)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(shí)別出那些帶有特殊「標(biāo)記」的單自旋。但是如何在複雜的背景噪聲中，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。儘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)」，在體系製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(tuán)隊(duì)著力於高品質(zhì)金剛石量子傳感器的自主製備，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。通過材料製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。

在材料製備上，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)，成功製備出間距小至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)後續(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)色心製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(yuǎn)端的相同背景噪聲，同時(shí)協(xié)同「聚焦」並放大近端目標(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。

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)分並探測(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)並主動(dòng)調(diào)控不穩(wěn)定自旋的信號(hào)。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)。