科学家提出基于信号关联的新量子传感范式

中国科学技术大学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。1月5日，研究成果在线发表于《自然-光子学》。

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3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。

金刚石是一种性能优异的宽禁带半导体材料。此次工作中，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，3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3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。由于每个点缺陷和3个氮-空位色心的相对空间位置不同，因此可以根据每个氮-空位色心所感受到的电场方向和大小的不同，精确定位出点缺陷的空间位置。

最终，研究团队使用这种类似于卫星定位的量子定位技术，成功对微米范围内的16个点缺陷进行了定位，精度最高达到1.7纳米。

研究人员介绍，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1000亿个正常原子中出现一个缺陷也能探测到。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10纳米以下芯片中的缺陷检测提供一种强有力的技术手段。

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41566-023-01352-4

（原载于《中国科学报》 2024-01-08 第1版 要闻）