【复材前沿】中科大杜江峰院士团队Nature新突破：纠缠增强技术实现纳米级单自旋精准探测

01【研究背景】

在量子传感领域，金刚石中的氮空位（NV）中心作为纳米级传感器，已在生物学、凝聚态物理和材料科学等领域得到广泛应用。不过，单个NV中心在检测单个自旋时，常受环境噪声大、传感体积受限等问题困扰；而量子纠缠虽理论上能提升传感精度，但因易受干扰，实际应用中性能甚至不及单个传感器。因此，开发可在噪声环境中稳定工作的纠缠增强传感方案，成为该领域亟待解决的关键问题。

杜江峰院士团队长期深耕量子传感领域，以金刚石氮 - 空位（NV）色心这一固态自旋量子体系为核心研究对象，持续推动测量精度向更微观、更精准的方向迈进。此前，团队已取得多项重要成果：首次制备出单原子与单分子间的量子纠缠态，为量子信息处理筑牢基础；创新关联量子传感范式，实现金刚石内部点缺陷的高精度三维成像与电荷动力学实时观测，大幅提升复杂信号环境的解析能力；借助NV色心超灵敏探测特性，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手段。

然而，如何在嘈杂环境中稳定捕捉任意单个自旋的微弱信号，仍是领域内的难题，这对探测的灵敏度和空间分辨率提出了极高要求。理论上，量子纠缠或许是突破这一瓶颈的途径。此次团队在《自然》发表的纠缠增强纳米尺度单自旋传感成果，是继关联传感之后，在量子传感范式上的又一重要飞跃。该研究通过自主研发的金刚石纳米精度制备技术，打造出间距仅约5纳米的NV色心对，并巧妙设计特定纠缠态，使其既能协同抑制远端共同噪声，又能放大近端目标单自旋的独特信号，最终实现灵敏度3.4倍提升、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方面的技术积累充分融合，成功把量子纠缠的理论优势转化为固态纳米尺度传感的实际性能提升。

02【核心成果】

近日，中国科学技术大学杜江峰院士、王亚教授团队在《自然》（Nature）发表题为“Entanglement - enhanced nanoscale single - spin sensing”的研究论文。该研究聚焦量子纠缠技术在纳米尺度单自旋检测中的应用，针对传统氮空位中心传感器存在的环境噪声干扰和传感体积有限等局限，提出创新的纠缠增强协议。通过精心设计纠缠态，不仅放大了目标自旋信号，还利用量子干涉抑制噪声，实现对静态与动态自旋物种的高分辨率探测和成像，为量子材料表征及微观机制研究提供了强有力的工具。

03【数据解析】

图1、纠缠纳米级自旋传感示意图© 2025 Springer Nature Limited

图2 基于纠缠态的暗自旋光谱© 2025 Springer Nature Limited

图3、通过量子纠缠增强对稳定暗自旋的成像与检测灵敏度© 2025 Springer Nature Limited

图4、使用纠缠传感器检测不稳定的暗自旋© 2025 Springer Nature Limited

图1呈现了纠缠纳米级自旋传感的原理。它对比了单个自旋传感器与纠缠传感器对的工作模式，清晰展示核心创新点：在存在强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纠缠态，可有效抑制共同环境噪声，同时将传感范围聚焦于特定空间区域，显著提升空间分辨率和信噪比，让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。图中包含实验所用纳米柱阵列与NV对结构示意图、制备和探测纠缠态的脉冲序列，以及利用纠缠态进行DEER光谱扫描得到的清晰共振峰。这证实了基于纠缠态的传感方案已成功制备，且能有效探测钻石中的单个电子暗自旋。

图3重点呈现了纠缠增强传感在稳定暗自旋探测上的性能优势。通过展示与不同暗自旋耦合引发的相干相位振荡、对应的傅里叶变换频谱、不同磁场下的自旋哈密顿量识别及最终重建的三维空间位置图，系统完成了对目标自旋“发现 - 识别 - 定位”的全过程。分析表明，纠缠态能选择性增强对特定自旋的检测灵敏度，同时抑制其他自旋信号，实现复杂环境中的精准分辨。

图4将纠缠传感应用拓展至不稳定的亚稳态自旋。通过监测与界面亚稳态自旋耦合时传感器相干性的变化，直接捕捉到该自旋在“开启”和“关闭”状态间随机切换的动态过程。研究还发现，设计另一种双量子纠缠态可有效抵抗这种动态噪声，延长传感相干时间，体现了该方案在处理静态与动态自旋并存的复杂自旋体系时的强大能力。

04【研究展望】

总体而言，本研究通过将量子纠缠成功应用于纳米级传感，证明了一种稳健且可扩展的方案，能在实际噪声环境中保持纠缠优势，显著提升对单个自旋的检测能力。未来，通过进一步开发量子传感器阵列构建大规模纠缠系统，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接近物理极限，并作为功能扫描探针系统实现样品的确定性定位，为量子材料表征和界面研究开辟新路径。

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