中国科学技术大学，Nature！

研究背景

量子传感，由单个纳米级量子传感器实现，正成为一项变革性技术，在表征微观结构和揭示基本微观机制方面提供了无与伦比的精度。检测包括稳定态和亚稳态在内的单个自旋，是量子传感中的一项基本挑战，在凝聚态物理、量子化学和单分子磁共振成像等领域具有广泛应用。

关键问题

目前，量子传感的研究主要存在以下问题：

1、环境噪声与传感体积的限制

尽管金刚石中的氮-空位（NV）中心已成为强大的纳米级传感器，但其用于单自旋检测的性能仍然受到巨大的环境噪声和受限的传感体积的制约。

2、量子纠缠的脆弱性与集成挑战

利用量子纠缠来超越个体量子传感器的限制已被广泛探索，但将量子纠缠实际整合到纳米级量子传感系统中并实现性能优势仍然是一个重大的持续性挑战。这主要是因为量子纠缠固有的脆弱性，其超短的纠缠相干时间可能导致性能不如单个传感器。

新思路

有鉴于此，中国科学技术大学杜江峰院士、王亚教授等人提出并演示了一种纠缠增强传感协议，通过策略性地使用纠缠的NV对来克服量子传感器研究的限制。该方法在环境条件下实现了相对于单个NV中心3.4倍的灵敏度增强和1.6倍的空间分辨率改善。该协议使用精心设计的纠缠态，通过量子干涉放大目标自旋信号，同时抑制环境噪声。至关重要的是，作者将这些能力扩展到解析亚稳态单自旋动力学，通过识别依赖于状态的耦合强度，直接观察不同自旋态之间的随机跃迁。这种双重功能能够同时检测静态和动态自旋物种，用于研究复杂的量子系统。所实现的性能确立了纠缠增强传感是实现量子材料和界面原子级表征的可行途径。

技术方案：

1、构建了纠缠传感的原理并阐述了退相干抑制机制

作者通过开发强耦合量子传感器来抑制退相干，保持对目标单自旋的高灵敏度。在金刚石NV中心中，实现了短分离距离的强耦合NV对，显著提升了相干时间和空间分辨率。

2、分析了静态暗自旋的频谱分析、成像与灵敏度增强

作者利用DEER光谱法实现暗自旋的纠缠纳米级传感，识别出两种自旋配置（DS1和DS2），重构其三维空间分布，定位不确定性约0.3 nm，纠缠态显著增强对DS2的灵敏度并抑制DS1信号。

3、实现了亚稳态自旋的动态检测和噪声弹性工程

亚稳态自旋既是纳米级探针也是噪声源。本文结合纠缠传感和暗自旋辅助技术，检测界面自旋，抑制退相干，实现了2.5倍相干时间提升。

技术优势：

1、突破了环境噪声限制并实现了性能飞跃

本文提出了一种通用的纠缠增强传感框架，通过工程化紧密耦合的NV对形成特殊的纠缠态，成功利用量子干涉实现了对表面环境噪声的相消抑制和对目标自旋信号的相长放大。在实验中，这带来了相对于单个NV中心3.4倍的灵敏度增强和1.6倍的空间分辨率提升。

2、实现了多功能自旋检测与动态噪声管理

该技术能识别和定位静态暗自旋（定位不确定性约0.3 nm），并检测亚稳态单自旋动力学，观察自旋状态间的随机跃迁。通过设计特定纠缠态，有效抑制动态亚稳态自旋引入的退相干通道，将相干时间提高2.5倍，展现出卓越的噪声弹性。

技术细节

纠缠传感的原理构建与退相干抑制机制

本文提出了一种抑制环境退相干同时保持对目标单自旋敏感性的通用方法，即开发彼此紧密相邻的强耦合量子传感器。这种方法通过制备特定的纠缠态，在传感器的偶极耦合场A_zz,i中产生空间模式。在金刚石NV中心中实施时，研究人员制备了具有5.2(3) nm短分离距离的强耦合NV对，其耦合强度为A_NV1,NV2=414（3）kHz。这种短分离距离显著降低了纠缠态制备和检测的相关开销。关键结果是，制备的纠缠态表现出预期的偶极耦合抵消带来的退相干抑制（相干时间T₂=21.9 μs），而  则表现出增强的耦合（T₂=4.8 μs），这直接证明了该方法对表面自旋浴的依赖于状态的相干时间。在较小的分离距离下（即分离s小于深度d的一半时），纠缠传感实现了1.6倍的空间分辨率改善。

图  具有自旋传感器的纠缠纳米级感测的示意图

图  基于纠缠态的单个暗自旋光谱学

静态暗自旋的频谱分析、成像与灵敏度增强

研究人员使用基于|Y₂>的DEER光谱法实现了对暗自旋的纠缠纳米级传感。通过频率扫描，共识别出三个独特的共振峰，分别对应于单个暗电子自旋。通过测量每个共振频率下相干的单调振荡，明确证实了检测到的是单自旋信号。通过分析暗自旋在不同外部磁场下的能级分裂，研究人员识别了两种自旋配置：DS1表现为自旋-1/2行为，而DS2则具有自旋三重态（自旋-1）纳米级空间定位协议。通过系统性改变磁场B₀并测量耦合强度，成功重构了DS1和DS2的三维空间分布，其定位不确定性约为0.3 nm。定量分析显示，由于纠缠态|Y₂>具有空间选择性，其对DS2的耦合强度增强，从而提供了相对于单NV检测最优的3.4倍灵敏度增强，同时对不希望的DS1信号实现了0.8倍的抑制。

图  通过量子纠缠增强探测灵敏度的稳定暗自旋成像

亚稳态自旋的动态检测和噪声弹性工程

亚稳态自旋在量子传感应用中扮演着双重角色：它们既是敏感的纳米级探针，也是潜在的噪声源。本文将纠缠纳米级传感协议与利用孤立暗自旋作为辅助传感器的技术结合，用于检测界面附近的自旋。实验结果揭示了一个亚稳态暗自旋，它在自旋-1/2和自旋-0配置之间随机切换。当处于自旋-1/2状态时，观察到清晰的相干振荡，而在自旋-0状态时振荡则完全消失。这一自旋可能位于界面电荷捕获层内，其亚稳态行为可能由局部电环境驱动。为了应对亚稳态自旋引入的退相干挑战，研究人员工程化了另一种纠缠态，该态展示了显著的噪声弹性，将相干时间从单独DS1的6 μs延长到15 μs。这一2.5倍的改进来源于增强的耦合抵消。这种双重功能（即同时检测静态和动态自旋）为研究复杂量子系统提供了新的途径。

图  利用纠缠传感器探测不稳定暗自旋

展望

本文成功展示了一种纠缠增强传感协议，通过紧密耦合的NV对，利用量子干涉巧妙地克服了纳米级量子传感中固有的环境噪声和分辨率限制。该方法不仅在环境条件下实现了灵敏度提高3.4倍和空间分辨率改善1.6倍，而且能够同时对静态自旋进行精确成像和对亚稳态自旋的动态跃迁进行监测。这项工作确立了纠缠工程化是实现纳米级自旋判别和将量子传感推向原子级表征极限的强大策略。

参考文献：

Zhou, X., Wang, M., Ye, X. et al. Entanglement-enhanced nanoscale single-spin sensing. Nature 647, 883–888 (2025). 

https://doi.org/10.1038/s41586-025-09790-6

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