日前，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)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)域取得重大突破，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)研究成果在線(xiàn)發(fā)表於《自然》雜志。

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，不僅能為理解物性提供全新視角，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)中清晰捕捉某個(gè)人的竊竊私語(yǔ)，這對(duì)相關(guān)技術(shù)提出挑戰(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。“我們朝著單自旋探測(cè)的科學(xué)目標(biāo)，通過(guò)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(guò)頻譜差異識(shí)別出那些帶有特殊‘標(biāo)記’的單自旋?！眻F(tuán)隊(duì)成員告訴記者。

據(jù)了解，研究團(tuán)隊(duì)在十多年裡著力於高品質(zhì)金剛石量子傳感器的自主制備，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。他們通過(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(kāi)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)展鋪平道路。

據(jù)介紹，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)証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(kāi)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)也是實(shí)現(xiàn)室溫金剛石量子計(jì)算的關(guān)鍵基礎(chǔ)。（記者丁一鳴、常河）

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