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。