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17家 山西省認(rèn)定2025年度省級(jí)新型研發(fā)機(jī)構(gòu)
日前，山西省科學(xué)技術(shù)廳發(fā)布《關(guān)于認(rèn)定山西省20[詳細(xì)]
我科學(xué)家在納米尺度量子精密測(cè)量領(lǐng)域獲重大突破
2025年12月02日 13:38:14
來(lái)源：化工儀器網(wǎng) 點(diǎn)擊量：2635
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)，將探測(cè)靈敏度提升至單傳感器水平的3.4倍。
近日，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”為題于11月27日在線發(fā)表在《自然》(Nature)雜志上。
量子精密測(cè)量是基于量子力學(xué)原理，通過(guò)主動(dòng)操控量子態(tài)突破經(jīng)典測(cè)量精度極限的綜合性技術(shù)。該技術(shù)融合原子物理、物理光學(xué)、電子技術(shù)等多學(xué)科知識(shí)，形成了以量子相干、糾纏和壓縮態(tài)為核心的技術(shù)體系，其測(cè)量精度可達(dá)納米級(jí)，相較經(jīng)典方法提升兩個(gè)數(shù)量級(jí)以上。
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。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。
研究團(tuán)隊(duì)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。但是如何在復(fù)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。
為此，研究團(tuán)隊(duì)致力于高品質(zhì)金剛石量子傳感器的自主制備，“十年磨一劍”打通了涵蓋20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(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)展鋪平了道路。
在材料制備上，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)。這種精確的空間控制，是實(shí)現(xiàn)后續(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，成功解決了長(zhǎng)期存在的信號(hào)放大與噪聲干擾之間的矛盾，空間分辨率提升1.6倍。
這項(xiàng)突破性技術(shù)實(shí)現(xiàn)了三大重要進(jìn)展：一是成功區(qū)分并探測(cè)到相鄰的兩個(gè)“暗”電子自旋；二是在嘈雜環(huán)境中將探測(cè)靈敏度提升至單傳感器水平的3.4倍；三是能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)并主動(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(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。
素材來(lái)源：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)
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