11月26日，中国科学技术大学杜江峰院士、王亚教授团队，在最新Nature上发表了题为“Entanglement-enhanced nanoscale single-spin sensing”的论文。研究聚焦于通过量子纠缠技术显著提升纳米尺度下单个自旋检测的性能，针对传统氮空位中心传感器在环境噪声和有限传感体积方面的局限，提出了一种创新的纠缠增强协议，利用精心设计的纠缠态不仅放大目标自旋信号并通过量子干涉抑制噪声，还实现了对静态和动态自旋物种的高分辨率探测与成像，为量子材料表征和微观机制研究提供了强大工具。

在微观世界中，电子的自旋是其基本属性之一，如同一个个微小的磁针。材料的许多宏观特性，如磁铁的磁性或超导体的零电阻，都源于这些微观“磁针”的排列与相互作用。探测单个自旋，对物质世界最基础的磁性单元进行测量，不仅能够为理解物性提供全新视角，更为发展单分子磁探测技术和推进量子科技奠定坚实基础。然而由于物质中含有大量自旋，对单个自旋的探测相当于在喧闹的体育场中清晰捕捉到某个人的窃窃私语，这对探测技术提出了前所未有的挑战。

金刚石氮-空位色心量子传感器因其纳米级的分辨能力和高灵敏的磁探测能力，一直是实现单自旋探测的重要技术途径。研究团队前期朝向单自旋探测的科学目标，通过长期积累，发展出高精度的自旋量子调控技术和金刚石量子传感核心器件与装备，已能通过频谱差异识别出那些带有特殊“标记”的单自旋。但是如何在复杂的背景噪声中，稳定捕捉任意单个自旋的微弱信号，仍是悬而未决的难题。这对传感器探测灵敏度与空间分辨率均提出了更高的要求。

纠缠态增强的纳米尺度单自旋传感示意图（图源自Nature）

该研究提出的方案采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。关键突破在于将探测能力拓展至解析亚稳态单自旋动力学，通过识别态依赖耦合强度直接观测不同自旋态间的随机跃迁。总的来说，这种双重功能使得静态与动态自旋物种的同步检测成为可能，为研究复杂量子系统提供支持。所实现的性能表明，纠缠增强传感可作为实现量子材料与界面原子级表征的有效路径。

中国科学技术大学自旋磁共振实验室博士研究生周旭和特任副研究员王孟祺为该论文共同第一作者。杜江峰院士和王亚教授为共同通讯作者。此项研究得到了国家自然科学基金委、科技部等资助。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-025-09790-6