我国科学家提出基于信号关联的新量子传感范式

记者1月8日从中国科学技术大学了解到，该校中国科学院微观磁共振重点实验室杜江峰院士、王亚教授等人在量子精密测量领域取得重要进展。他们提出基于信号关联的新量子传感范式，实现对金刚石内点缺陷的高精度成像，并实时观测了点缺陷的电荷动力学。该研究成果日前在线发表于《自然-光子学》上。

量子传感的发展，已使很多物理量的测量技术取得了革命性进展。以磁测量为例，当前实现结构解析的量子传感范式，需要对标记的自旋探测目标进行量子操控。然而，自然界中的很多物理现象既不包含自旋，也无法直接操控，如半导体中的电荷动力学导致的随机电报信号。更重要的是，当多个探测对象信号重叠相互干扰，单个量子传感器将无法对信号进行有效提取与分析。

基于此，研究团队提出了一种新的量子传感范式，即利用多个量子传感器之间的信号关联，提升对复杂对象的解析能力和重构精度。研究团队基于自主发展的氮-空位色心制备技术，可控制备出相距约200纳米的三个氮-空位色心作为量子传感系统，通过对随机电场探测展示了这种新的量子传感范式。

研究人员利用金刚石氮-空位色心激发态的直流斯塔克效应，来实现对电场的传感。当某个点缺陷的电荷状态发生改变时，三个氮-空位色心可以同时探测到因电荷变化而引起的电场变化。研究人员再利用三个色心间电场同时变化的关联特征，可以从杂乱无章的涨落电场中解析出每个点缺陷对应的电场。并且由于每个点缺陷和三个氮-空位色心的相对空间位置不同，研究人员可以根据每个氮-空位色心所感受到的电场方向和大小的不同，来精确定位出点缺陷的空间位置。此外，研究团队使用类似于卫星定位的量子定位技术，成功对微米范围内16个点缺陷进行了定位，定位精度最高达到1.7纳米。基于这种关联分辨和精确定位的能力，他们还实现了对每个点缺陷电荷动力学的原位实时探测，为研究体材料内部点缺陷的性质提供了新方法。

研究人员表示，这一成果展示了基于量子技术的超高灵敏度缺陷探测，甚至在一千亿个正常原子中出现一个缺陷，这种情况也能探测到。这要比目前最灵敏方法的探测极限提升两个数量级以上，有望为当前十纳米以下芯片中的缺陷检测提供一种强有力的技术手段。

（责编：赵珊）