01【研究背景】

在量子傳感領(lǐng)域，金剛石中的氮空位（NV）中心作為納米級傳感器，已在生物學(xué)、凝聚態(tài)物理和材料科學(xué)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。不過，單個NV中心在檢測單個自旋時，常受環(huán)境噪聲大、傳感體積受限等問題困擾；而量子糾纏雖理論上能提升傳感精度，但因易受干擾，實(shí)際應(yīng)用中性能甚至不及單個傳感器。因此，開發(fā)可在噪聲環(huán)境中穩(wěn)定工作的糾纏增強(qiáng)傳感方案，成為該領(lǐng)域亟待解決的關(guān)鍵問題。

杜江峰院士團(tuán)隊長期深耕量子傳感領(lǐng)域，以金剛石氮 - 空位（NV）色心這一固態(tài)自旋量子體系為核心研究對象，持續(xù)推動測量精度向更微觀、更精準(zhǔn)的方向邁進(jìn)。此前，團(tuán)隊已取得多項(xiàng)重要成果：首次制備出單原子與單分子間的量子糾纏態(tài)，為量子信息處理筑牢基礎(chǔ)；創(chuàng)新關(guān)聯(lián)量子傳感范式，實(shí)現(xiàn)金剛石內(nèi)部點(diǎn)缺陷的高精度三維成像與電荷動力學(xué)實(shí)時觀測，大幅提升復(fù)雜信號環(huán)境的解析能力；借助NV色心超靈敏探測特性，在微觀尺度搜尋新奇自旋相互作用，為探索超越標(biāo)準(zhǔn)模型的新物理提供了獨(dú)特手段。

然而，如何在嘈雜環(huán)境中穩(wěn)定捕捉任意單個自旋的微弱信號，仍是領(lǐng)域內(nèi)的難題，這對探測的靈敏度和空間分辨率提出了極高要求。理論上，量子糾纏或許是突破這一瓶頸的途徑。此次團(tuán)隊在《自然》發(fā)表的糾纏增強(qiáng)納米尺度單自旋傳感成果，是繼關(guān)聯(lián)傳感之后，在量子傳感范式上的又一重要飛躍。該研究通過自主研發(fā)的金剛石納米精度制備技術(shù)，打造出間距僅約5納米的NV色心對，并巧妙設(shè)計特定糾纏態(tài)，使其既能協(xié)同抑制遠(yuǎn)端共同噪聲，又能放大近端目標(biāo)單自旋的獨(dú)特信號，最終實(shí)現(xiàn)靈敏度3.4倍提升、空間分辨率1.6倍改善，將團(tuán)隊在前沿材料制備、量子糾纏操控和精密測量傳感等方面的技術(shù)積累充分融合，成功把量子糾纏的理論優(yōu)勢轉(zhuǎn)化為固態(tài)納米尺度傳感的實(shí)際性能提升。

02【核心成果】

近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)杜江峰院士、王亞教授團(tuán)隊在《自然》（Nature）發(fā)表題為“Entanglement - enhanced nanoscale single - spin sensing”的研究論文。該研究聚焦量子糾纏技術(shù)在納米尺度單自旋檢測中的應(yīng)用，針對傳統(tǒng)氮空位中心傳感器存在的環(huán)境噪聲干擾和傳感體積有限等局限，提出創(chuàng)新的糾纏增強(qiáng)協(xié)議。通過精心設(shè)計糾纏態(tài)，不僅放大了目標(biāo)自旋信號，還利用量子干涉抑制噪聲，實(shí)現(xiàn)對靜態(tài)與動態(tài)自旋物種的高分辨率探測和成像，為量子材料表征及微觀機(jī)制研究提供了強(qiáng)有力的工具。

03【數(shù)據(jù)解析】

圖1、糾纏納米級自旋傳感示意圖? 2025 Springer Nature Limited

圖2 基于糾纏態(tài)的暗自旋光譜? 2025 Springer Nature Limited

圖3、通過量子糾纏增強(qiáng)對穩(wěn)定暗自旋的成像與檢測靈敏度? 2025 Springer Nature Limited

圖4、使用糾纏傳感器檢測不穩(wěn)定的暗自旋? 2025 Springer Nature Limited

圖1呈現(xiàn)了糾纏納米級自旋傳感的原理。它對比了單個自旋傳感器與糾纏傳感器對的工作模式，清晰展示核心創(chuàng)新點(diǎn)：在存在強(qiáng)界面自旋浴噪聲的環(huán)境中，兩個緊密耦合的自旋傳感器通過制備特定糾纏態(tài)，可有效抑制共同環(huán)境噪聲，同時將傳感范圍聚焦于特定空間區(qū)域，顯著提升空間分辨率和信噪比，讓在稠密自旋背景中識別單個目標(biāo)自旋的相干振蕩信號成為可能。

圖2展示了實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)糾纏傳感的關(guān)鍵要素與初步光譜結(jié)果。圖中包含實(shí)驗(yàn)所用納米柱陣列與NV對結(jié)構(gòu)示意圖、制備和探測糾纏態(tài)的脈沖序列，以及利用糾纏態(tài)進(jìn)行DEER光譜掃描得到的清晰共振峰。這證實(shí)了基于糾纏態(tài)的傳感方案已成功制備，且能有效探測鉆石中的單個電子暗自旋。

圖3重點(diǎn)呈現(xiàn)了糾纏增強(qiáng)傳感在穩(wěn)定暗自旋探測上的性能優(yōu)勢。通過展示與不同暗自旋耦合引發(fā)的相干相位振蕩、對應(yīng)的傅里葉變換頻譜、不同磁場下的自旋哈密頓量識別及最終重建的三維空間位置圖，系統(tǒng)完成了對目標(biāo)自旋“發(fā)現(xiàn) - 識別 - 定位”的全過程。分析表明，糾纏態(tài)能選擇性增強(qiáng)對特定自旋的檢測靈敏度，同時抑制其他自旋信號，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜環(huán)境中的精準(zhǔn)分辨。

圖4將糾纏傳感應(yīng)用拓展至不穩(wěn)定的亞穩(wěn)態(tài)自旋。通過監(jiān)測與界面亞穩(wěn)態(tài)自旋耦合時傳感器相干性的變化，直接捕捉到該自旋在“開啟”和“關(guān)閉”狀態(tài)間隨機(jī)切換的動態(tài)過程。研究還發(fā)現(xiàn)，設(shè)計另一種雙量子糾纏態(tài)可有效抵抗這種動態(tài)噪聲，延長傳感相干時間，體現(xiàn)了該方案在處理靜態(tài)與動態(tài)自旋并存的復(fù)雜自旋體系時的強(qiáng)大能力。

04【研究展望】

總體而言，本研究通過將量子糾纏成功應(yīng)用于納米級傳感，證明了一種穩(wěn)健且可擴(kuò)展的方案，能在實(shí)際噪聲環(huán)境中保持糾纏優(yōu)勢，顯著提升對單個自旋的檢測能力。未來，通過進(jìn)一步開發(fā)量子傳感器陣列構(gòu)建大規(guī)模糾纏系統(tǒng)，結(jié)合高保真度量子控制和讀取協(xié)議，該方法有望推動納米級量子傳感接近物理極限，并作為功能掃描探針系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)樣品的確定性定位，為量子材料表征和界面研究開辟新路徑。

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