11月26日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)杜江峰院士、王亞教授為共同通訊作者在全球頂級科研期刊《Nature》上發(fā)表題為“Entanglement-Enhanced Nanoscale Single-Spin Sensing”的研究論文。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)自旋磁共振實驗室博士研究生周旭和特任副研究員王孟祺為該論文共同第一作者。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)為論文的第一完成單位。

中科大杜江峰院士團(tuán)隊利用自主研發(fā)的超純金剛石生長（Science Advances 11, eadr9298 (2025)）與納米精度定點摻雜技術(shù)（Science Advances 8, eabn9573 (2022)），成功制備出間距小至5納米的氮-空位色心對結(jié)構(gòu)。

這種精確的空間控制，是實現(xiàn)后續(xù)量子糾纏增強探測的關(guān)鍵基礎(chǔ)。在探測方法上，研究團(tuán)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(yuǎn)端的相同背景噪聲，同時協(xié)同“聚焦”并放大近端目標(biāo)單自旋的獨特信號(圖1)。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。

圖 1：糾纏態(tài)增強的納米尺度單自旋傳感示意圖。其中綠色球體為待探測的單個目標(biāo)自旋，紅色球體為噪聲自旋，藍(lán)色球體為無自旋的原子（如12C）。單自旋傳感器的有效傳感面積較大，其內(nèi)不可避免的存在其它噪聲自旋。而糾纏態(tài)傳感器能夠聚焦傳感區(qū)域，其內(nèi)的自旋可以僅存在目標(biāo)自旋，從而實現(xiàn)單個目標(biāo)自旋信號的有效探測。

圖 2：基于糾纏態(tài)增強的暗自旋探測實驗。a. 中心位置制備有氮-空位色心對的金剛石納米柱結(jié)構(gòu)示意圖。b. 不同傳感器初態(tài)的相干時間對比，其中糾纏態(tài)展現(xiàn)出最長的相干時間。c. 通過使用糾纏態(tài)傳感器分辨出周圍兩個暗自旋DS1和DS2的特征譜。d. 糾纏態(tài)傳感器探測不同暗自旋時的相干相位演化。e. 糾纏態(tài)傳感器對DS2進(jìn)行探測時的靈敏度增益。f. 通過NV與暗自旋DS1構(gòu)建糾纏傳感器，對不穩(wěn)定自旋信號進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測。

這項突破性技術(shù)實現(xiàn)了三大重要進(jìn)展：成功區(qū)分并探測到相鄰的兩個"暗"電子自旋；在嘈雜環(huán)境中將探測靈敏度提升至單傳感器水平的3.4倍；能夠?qū)崟r監(jiān)測并主動調(diào)控不穩(wěn)定自旋的信號(圖2)。該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(xué)和化學(xué)等領(lǐng)域提供革命性的研究工具。相關(guān)金剛石氮空位色心的可控制備與量子糾纏調(diào)控技術(shù)也是朝向?qū)崿F(xiàn)室溫金剛石量子計算的關(guān)鍵基礎(chǔ)。

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)簡介

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)是中國科學(xué)院所屬的一所以前沿科學(xué)和高新技術(shù)為主，兼有醫(yī)學(xué)、特色管理和人文學(xué)科的理工科大學(xué)。學(xué)?，F(xiàn)有34個學(xué)院，含8個科教融合學(xué)院；設(shè)有蘇州高等研究院、上海研究院、北京研究院、先進(jìn)技術(shù)研究院、國際金融研究院、附屬第一醫(yī)院（安徽省立醫(yī)院）。

學(xué)校于1958年9月在北京創(chuàng)建，郭沫若任首任校長。這是我黨為“兩彈一星”事業(yè)而創(chuàng)辦的紅色大學(xué)，她的創(chuàng)辦被稱為“我國教育史和科學(xué)史上的一項重大事件”。建校后，中國科學(xué)院實施“全院辦校、所系結(jié)合”的辦學(xué)方針，高起點、寬口徑培養(yǎng)新興、邊緣、交叉學(xué)科的尖端科技人才，匯集了嚴(yán)濟(jì)慈、華羅庚、錢學(xué)森、趙忠堯、郭永懷、趙九章、貝時璋等一批著名科學(xué)家，建校第二年即被列為全國重點大學(xué)。

1970年初，學(xué)校遷至安徽省合肥市。1978年以來，學(xué)校銳意改革、大膽創(chuàng)新，在全國率先提出并實施一系列具有創(chuàng)新精神和前瞻意識的教育改革措施，創(chuàng)辦少年班、首建研究生院、建設(shè)國家大科學(xué)工程、面向世界開放辦學(xué)等，成為國家高質(zhì)量人才培養(yǎng)和高水平科學(xué)研究的重要基地，是國家首批實施“985工程”和“211工程”的大學(xué)之一。2017年9月和2022年2月，學(xué)校兩度入選全國世界一流大學(xué)和世界一流學(xué)科建設(shè)高校，共有11個學(xué)科入選世界一流學(xué)科建設(shè)名單。建校66年來，學(xué)校堅持紅專并進(jìn)、理實交融的校訓(xùn)，敢為人先，銳意進(jìn)取，培養(yǎng)了大批德才兼?zhèn)涞膬?yōu)秀人才，取得了一系列舉世矚目的科研成果，為黨和國家事業(yè)發(fā)展作出了重要貢獻(xiàn)。

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