中国科学技术大学（合肥）杜江峰院士最新Nature：纠缠增强的纳米级单自旋传感

温华

一、【科学背景】

在量子传感领域，氮空位（NV）中心作为纳米级传感器在生物学、凝聚态物理和材料科学中广泛应用，然而，单个NV中心在检测单个自旋时面临环境噪声大和传感体积受限的挑战；量子纠缠虽能提升传感精度，但其脆弱性导致在实际应用中性能甚至不如单个传感器，因此开发一种能在噪声环境中稳定工作的纠缠增强传感方案至关重要。

杜江峰院士团队在量子传感领域有着深厚的积累，其研究长期聚焦于利用金刚石氮-空位（NV）色心这一固态自旋量子体系，致力于推动测量极限向更精准、更微观的方向发展。团队此前已在多个方向取得关键突破：他们首次制备了单原子和单分子之间的量子纠缠态，为量子信息处理奠定了基础；通过发展关联量子传感新范式，成功对金刚石内部的点缺陷实现了高精度三维成像和电荷动力学实时观测，显著提升了复杂信号环境的解析能力；同时，团队还利用NV色心作为超灵敏探测器，在微观尺度搜寻新奇自旋相互作用，为探索超越标准模型的新物理提供了独特工具。

然而，如何在嘈杂环境中稳定探测任意单个自旋的微弱信号，仍是领域内悬而未决的难题，这对探测的灵敏度和空间分辨率都提出了极致的要求。理论上，量子 entanglement 是突破此瓶颈的可能途径。团队此次在《自然》上发表的纠缠增强纳米尺度单自旋传感成果，正是他们继关联传感之后，在量子传感范式上的又一次重要飞跃。该工作通过自主研发的金刚石纳米精度制备技术，创造出间距仅约5纳米的NV色心对，并巧妙设计特定纠缠态，使其能协同抑制远端共同噪声的同时，放大近端目标单自旋的独特信号，最终实现了灵敏度3.4倍提升和空间分辨率1.6倍改善，将团队在前沿材料制备、量子纠缠操控和精密测量传感等多个方面的长期技术积累融汇贯通，最终成功地将量子纠缠的理论优势在固态纳米尺度传感中转化为现实的性能提升。

二、【科学贡献】

今日，中国科学技术大学（合肥）杜江峰院士、Ya Wang老师，在最新Nature上发表了题为“Entanglement-enhanced nanoscale single-spin sensing”的论文。研究聚焦于通过量子纠缠技术显著提升纳米尺度下单个自旋检测的性能，针对传统氮空位中心传感器在环境噪声和有限传感体积方面的局限，提出了一种创新的纠缠增强协议，利用精心设计的纠缠态不仅放大目标自旋信号并通过量子干涉抑制噪声，还实现了对静态和动态自旋物种的高分辨率探测与成像，为量子材料表征和微观机制研究提供了强大工具。

图1为纠缠纳米级自旋传感的原理示意图。它通过对比单个自旋传感器与纠缠传感器对的工作模式，直观展示了核心创新思想：在存在强烈界面自旋浴噪声的环境中，两个紧密耦合的自旋传感器通过制备特定的纠缠态，能够有效抑制共同的环境噪声，同时将传感能力集中在特定的空间区域，从而显著提升空间分辨率和信噪比，使得在稠密自旋背景中识别单个目标自旋的相干振荡信号成为可能。

图2展示了实验实现纠缠传感的关键要素与初步光谱结果。图中包含了实验中使用的纳米柱阵列与NV对结构示意图、用于制备和探测纠缠态的脉冲序列，以及利用纠缠态进行DEER光谱扫描所获得的清晰共振峰。该图证实了基于纠缠态的传感方案已成功制备，并能够有效探测到位于钻石中的单个电子暗自旋。

图3集中呈现了纠缠增强传感在稳定暗自旋探测上的性能优势。该图通过展示与不同暗自旋耦合引起的相干相位振荡、对应的傅里叶变换频谱、在不同磁场下的自旋哈密顿量识别以及最终重建的三维空间位置图，系统地完成了对目标自旋的“发现-识别-定位”全过程。分析进一步表明，纠缠态能够选择性地增强对特定自旋的检测灵敏度，同时抑制其他自旋的信号，实现了在复杂环境中的精准分辨。

图4将纠缠传感的应用拓展至不稳定的亚稳态自旋。该图通过监测与一个界面亚稳态自旋耦合时传感器相干性的演化，直接捕捉到了该自旋在“开启”和“关闭”状态之间随机切换的动态过程。研究还表明，通过设计另一种双量子纠缠态，可以有效抵抗这种动态噪声，将传感相干时间延长，展现了该方案在处理复杂自旋体系，即静态与动态自旋并存场景下的强大能力。

三、【科学启迪】

总之，本研究通过量子纠缠在纳米级传感中的成功应用，证明了一种鲁棒且可扩展的方案，能够在实际噪声环境中保持纠缠优势，显著提升了对单个自旋的检测能力；展望未来，通过进一步开发量子传感器阵列形成大规模纠缠系统，并结合高保真度量子控制和读取协议，该方法有望推动纳米级量子传感走向其物理极限，并作为功能扫描探针系统实现确定性样品定位，为量子材料表征和界面研究开辟新道路。

原文详情：https://www.nature.com/articles/s41586-025-09790-6

中国科学技术大学（合肥）杜江峰院士最新Nature：纠缠增强的纳米级单自旋传感

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