中国科大实现纠缠增强纳米尺度单自旋量子传感 科技前线
想象一下，在喧闹的体育场里，你需要捕捉某个人的低声细语——这恰如其分地描述了我国科学家在微观世界取得的最新突破。在微观世界中，电子自旋如同一个个微小的磁针，它们的行为决定了材料宏观特性，从磁铁的磁性到超导体的零电阻，都源于这些微观磁针的排列与相互作用。
就在近日，中国科学技术大学与浙江大学合作团队在《自然[](@replace=10001)》杂志发表了一项开创性研究，首次实现了噪声环境下纠缠增强的纳米尺度单自旋探测，将量子精密测量技术推向了全新高度。
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捕捉物质世界最基础的磁性单元
你是否曾想过，探测单个电子自旋意味着什么？这相当于对物质世界最基础的磁性单元进行测量，不仅能为我们理解物性提供全新视角，更为发展单分子磁探测技术和推进量子科技奠定坚实基础。这一挑战堪比大海捞针，因为物质中含有大量自旋，对单个自旋的探测就像在嘈杂的体育场中清晰捕捉某个人的窃窃私语。面对这一难题，研究团队选择了金刚石氮—空位色心量子传感器作为突破口，凭借其纳米级分辨能力和高灵敏磁探测能力，向单自旋探测这一科学目标发起挑战。
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量子纠缠：在喧闹中精准锁定目标
如何在复杂背景噪声中稳定捕捉任意单自旋的微弱信号？研究团队找到了一把“金钥匙”——量子纠缠。理论上，量子纠缠能将探测精度逼近量子力学所允许的极限，但如何在固态传感体系中实现有效的“纠缠增强”，一直面临着巨大的技术挑战。经过十多年技术攻关，团队成功打通了涵盖二十多道环节的完整工艺流程，了高纯金刚石单晶生长、纳米级掺杂加工等核心工艺。通过材料制备与量子操控的协同创新，他们利用自主研发的超纯金刚石生长与纳米精度定点掺杂技术，制备出间距小至5纳米的氮—空位色心对结构，为量子纠缠增强探测奠定了关键基础。最具创新性的是，团队将一对色心制备成特殊的量子纠缠态，使它们能智能“过滤”远端背景噪声，同时协同“聚焦”并放大近端目标单自旋的独特信号，成功解决了“信号放大”与“噪声干扰”之间的矛盾。
纠缠态增强的纳米尺度单自旋传感示意图：展示如何利用量子纠缠态在噪声环境中精准探测单个自旋
基于纠缠态增强的暗自旋探测实验：实验数据证实了该技术的卓越性能
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三项突破性进展，开启量子科技新纪元
这项研究实现了令人瞩目的三重突破：成功区分并探测到相邻的两个“暗”电子自旋；在嘈杂环境中将探测灵敏度提升至单传感器水平的3.4倍；能够实时监测并主动调控不稳定自旋的信号。这些突破不仅实验验证了量子纠缠在纳米尺度传感中的优势与潜力，更标志着金刚石量子传感器能够作为强大的纳米磁强计，为原子层面研究量子材料打开新窗口。这项技术将为凝聚态物理、量子生物学和化学等领域提供革命性研究工具，同时相关金刚石氮空位色心的可控制备与量子纠缠调控技术，为实现室温金刚石量子计算奠定了关键基础。想象一下，未来我们或许能够借助这一技术揭示量子世界的更多奥秘，甚至开发出全新的量子计算平台——这不仅是科学的飞跃，更是人类技术文明的重要里程碑。让我们共同期待这一技术带来的更多突破与应用！
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41586-025-09790-6
来源：中国科学技术大学
责任编辑：侯茜
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