實現(xiàn)對高頻微波的高靈敏測量，能夠為高場高頻磁共振譜學、太赫茲成像甚至天文學觀測提供基礎支撐。記者近日從中國科學技術大學了解到，該校中科院微觀磁共振重點實驗室杜江峰、石發(fā)展、孔飛等人，基于金剛石氮—空位（NV）色心量子傳感器，實現(xiàn)了皮特斯拉水平的高靈敏微波磁場測量。該項研究成果日前發(fā)表在《科學進展》上。

    量子傳感技術能夠大大提升微波的測量靈敏度，目前常見的量子傳感器包括里德堡原子、原子磁力計、超導量子干涉儀、金剛石NV色心等。其中NV色心體系因獨特的載體穩(wěn)定性和室溫大氣環(huán)境兼容性，成為極具發(fā)展前景的固態(tài)量子傳感器，而提升其探測靈敏度是最重要的發(fā)展方向之一。

    提升靈敏度最直接的途徑是利用大量NV色心開展并行測量。由于單個NV色心的尺寸只有原子級，即使是毫米級芯片大小的金剛石中也可以集成數(shù)以億萬計的NV色心。但是隨著尺寸的增加，對所有的NV色心同步地進行量子調(diào)控變得更加困難。

    為此，研究人員提出一種無需復雜量子調(diào)控的測量方案，引入一個稍強的輔助微波與被測微波干涉，產(chǎn)生拍頻振蕩，相應地NV熒光也會產(chǎn)生頻率為拍頻的振蕩，其振幅與待測微波振幅成正比，相當于用輔助微波“放大”了待測微波。利用該方法，研究團隊在體積為0.04立方毫米、包含2.8×1013個NV色心的金剛石量子傳感器上成功實現(xiàn)了微波磁場測量，相比此前該體系實現(xiàn)的亞微特斯拉指標水平，測量靈敏度提升了近10萬倍。該方法避免了復雜的同步量子操控，可以直接推廣到包含更多NV色心的更大體積金剛石量子傳感器上，未來有望將測量靈敏度進一步提升至更高量級。

    該方案為金剛石量子傳感系統(tǒng)的小型化和芯片化奠定了基礎，同時也向著金剛石量子傳感器在無線通信、磁共振檢測等領域的實用化邁出了重要一步。（記者吳長鋒）