中國科大實現高頻微波磁場高靈敏度量子傳感

中國科學院院士、中國科學技術大學教授杜江峰，教授石發展、特任研究員孔飛等，基于金剛石氮-空位（Nitrogen-Vacancy, NV）色心量子傳感器實現了皮特斯拉水平的高靈敏微波磁場測量。相比此前該體系實現的亞微特斯拉指標水平，測量靈敏度提升了近十萬倍。相關研究成果發表于《科學進展》。

測量方法示意圖。上圖為NV色心對共振微波的吸收。下圖為連續外差探測方法 中國科大供圖

微波在人類生活和科學研究中無處不在。日常生活中，移動通信所使用的電磁波便屬于微波范疇，發展微波測量技術對無線通訊的發展有重要價值；科學研究中，實現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。

利用從原理上革新的量子傳感技術能夠大大提升微波的測量靈敏度，在過去的十幾年中得到廣泛研究和發展。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定性和室溫大氣環境兼容性，成為極具發展前景的固態量子傳感器，提升探測靈敏度是最重要的發展方向之一。

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，因此即使是毫米級芯片大小的金剛石中也可以集成數以億萬計的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控變得更加困難。

因此，研究人員提出一種無需復雜量子調控的測量方案，大幅地提高金剛石中NV色心的利用率。其基本原理是NV色心在激光的連續激發下會持續產生熒光。當空間中存在一個與NV色心能級共振的弱微波時，熒光亮度會下降，下降的幅度與微波幅度的平方成正比，也就是說當待測微波很弱時，熒光的響應極其微弱。

為提升NV色心對微波的響應，研究團隊借鑒傳統外差測量的思路，提出了連續外差微波探測方法：引入一個稍強的輔助微波與被測微波干涉，產生拍頻振蕩，相應的NV熒光也會產生頻率為拍頻的振蕩，其振幅與待測微波幅度成正比。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了單位時間靈敏度為8.9皮特斯拉的微波磁場測量，相比此前該體系實現的亞微特斯拉指標水平，測量靈敏度提升了近十萬倍。

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色心的更大體積的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0.1皮特斯拉水平量級甚至更高。由于省去了與量子操控配套的硬件裝置，該方案為金剛石量子傳感系統的小型化和芯片化奠定基礎。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重要一步。

相關論文信息：https://doi.org/10.1126/sciadv.abq8158