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中国科学家提出量子传感新范式大幅提升测量精度

发布时间 :2024-01-10 来源 :新华网

近日从中国科学技术大学获悉 ,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 ,提出基于信号关联的量子传感新范式 ,实现对金刚石材料缺陷的高精度成像 ,定位精度最高达到1.7纳米 ,大幅提升测量精度 。国际权威学术期刊《自然·光子学》日前发表了该成果 。

近二十多年来 ,量子传感的发展已经使得很多物理量的测量技术取得了革命性进展 。比如 ,基于纳米尺度的金刚石氮-空位色心量子传感器有望实现单分子的结构解析 。但是 ,自然界中的很多物理现象既不包含自旋也无法直接操控 ,当多个探测对象信号重叠相互干扰 ,单个量子传感器无法对信号进行有效提取与分析 。

近期 ,杜江峰研究团队提出一种量子传感新范式 ,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 。他们基于自主发展的氮-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 ,并通过对随机电场探测展示了这种量子传感新范式 。

金刚石是一种性能优异的第三代半导体材料 ,材料中点缺陷的电荷动力学会带来随机的电场噪声 。本次研究中 ,科研人员利用金刚石氮-空位色心激发态的直流斯塔克效应来实现对众多点缺陷电场信号的传感与精确解析 。

最终 ,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 ,为研究材料内部点缺陷的性质提供了新方法 。

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1个缺陷 ,这种情况也能探测到 。这要比之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纳米以下芯片的缺陷检测提供一种有力技术手段 。