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記者從中國科學技術(shù)大學獲悉，該校王亞教授等與浙江大學海洋精準感知技術(shù)全國重點實驗室合作，首次實現(xiàn)了噪聲環(huán)境下糾纏增強的納米尺度單自旋探測。相關(guān)研究成果11月27日在線發(fā)表在《自然》雜志。

電子的“自旋”是其基本屬性之一，探測單個自旋，不僅能夠為理解物性提供全新視角，更為發(fā)展單分子磁探測技術(shù)和推進量子科技奠定堅實基礎(chǔ)。然而由于物質(zhì)中含有大量自旋，對單個自旋的探測相當于在喧鬧的體育場中清晰捕捉到某個人的竊竊私語，這對探測技術(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，因其納米級的分辨能力和高靈敏的磁探測能力，一直是實現(xiàn)單自旋探測的重要技術(shù)途徑。理論上，量子糾纏是突破此瓶頸的可能途徑，它能將探測精度逼近量子力學所允許的極限。研究團隊通過材料制備與量子操控兩條路徑的協(xié)同創(chuàng)新，首次成功開發(fā)出糾纏增強型納米單自旋探測技術(shù)，在固態(tài)體系中實現(xiàn)了對微觀磁信號靈敏度與空間分辨率的同步提升，為納米尺度量子精密測量技術(shù)的持續(xù)發(fā)展鋪平了道路。

材料制備上，研究團隊利用自主研發(fā)的超純金剛石生長與納米精度定點摻雜技術(shù)，成功制備出間距小至5納米的氮—空位色心對結(jié)構(gòu)。在探測方法上，研究團隊創(chuàng)造性地將一對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“無視”來自遠端的相同背景噪聲，同時協(xié)同“聚焦”并放大近端目標單自旋的獨特信號。這一巧妙的策略，成功解決了“信號放大”與“噪聲干擾”之間長期存在的矛盾，將空間分辨率提升了1.6倍。

研究人員表示，這項成果不僅實驗驗證了量子糾纏在納米尺度傳感中的優(yōu)勢與巨大潛力，也展示了金剛石量子傳感器能夠作為強大的納米磁強計，為原子層面研究量子材料打開新窗口，將為凝聚態(tài)物理、量子生物學和化學等領(lǐng)域提供革命性的研究工具。

（中國科大供圖）

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