图 基于自旋传感的纠缠纳米级传感器示意图
在国家星空彩票官方苹果版项目（批准号：T2325023等）等资助下，中国科学技术大学自旋磁共振实验室教授王亚等人与浙江大学海洋精准感知技术全国重点实验室研究人员合作，首次实现了噪声环境下纠缠增强的纳米尺度单自旋探测。相关成果以“纠缠增强的纳米级单自旋探测（Entanglement-enhanced nanoscale single-spin sensing）”为题，于2025年11月27日发表在《自然》（Nature），论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-025-09790-6。
微观世界中，电子的“自旋”是其基本属性之一，如同一个个微小的磁针。材料的许多宏观特性，如磁铁的磁性或超导体的零电阻，都源于这些微观“磁针”的排列与相互作用。金刚石氮-空位色心量子传感器，是实现单自旋探测的重要技术途径。研究团队研发出的高精度自旋量子调控技术和金刚石量子传感核心器件与装备，已能识别出带有特殊“标记”的单自旋，但如何在复杂的背景噪声中，稳定捕捉任意单自旋的微弱信号，仍悬而未决。这对传感器探测灵敏度与空间分辨率提出了更高要求。理论上，量子纠缠是突破此瓶颈的可能途径，它将探测精度逼近量子力学所允许的极限。尽管已有一些初步的原理验证，但如何实现有效的“纠缠增强”，在体系制备和操控方面均存在巨大的技术挑战。
研究团队通过材料制备与量子操控的协同创新，首次开发出纠缠增强型纳米单自旋探测技术，在固态体系中实现了对微观磁信号灵敏度与空间分辨率的同步提升。团队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，制备出间距仅5纳米的氮-空位色心对，并将其构造成特殊的量子纠缠态，有效化解了信号放大与噪声干扰之间的矛盾，使空间分辨率提升了1.6倍。该方法实现了三项突破：成功区分并探测相邻的“暗”电子自旋；在嘈杂环境中将探测灵敏度提升至单传感器的3.4倍；能够实时监测和主动调控不稳定自旋信号，为纳米尺度量子精密测量开辟了新路径。