我校郭光燦院士團隊在實(shí)用化量子傳感研究中取得重要進(jìn)展。孫方穩教授研究組利用微納量子傳感與電磁場(chǎng)在深亞波長(cháng)的局域增強，研究微波信號的探測與無(wú)線(xiàn)電測距，實(shí)現10-4波長(cháng)精度的定位。該成果于3月9日發(fā)表在國際知名期刊《自然·通訊》上。
基于微波信號測量的雷達定位技術(shù)在自動(dòng)駕駛、智能生產(chǎn)、健康檢測、地質(zhì)勘探等活動(dòng)中得到廣泛應用。尤其在當前智能化、信息化發(fā)展大趨勢下，發(fā)展高性能雷達測距技術(shù)對國防安全和經(jīng)濟發(fā)展都方面有重要意義。
量子信息技術(shù)的發(fā)展為發(fā)展雷達技術(shù)提供了新的解決方案。量子傳感和精密測量利用量子相干、關(guān)聯(lián)等特性提升系統對物理量的測量靈敏度，有望超越傳統測量手段的精度。孫方穩研究組面向量子信息技術(shù)實(shí)用化，長(cháng)期研究固態(tài)自旋體系的量子傳感技術(shù)。發(fā)展了電荷態(tài)耗盡納米成像方法，實(shí)現基于金剛石氮-空位色心的超衍射極限分辨力電磁場(chǎng)矢量傳感與成像（Phys. Rev. Applied 12, 044039(2019)），并利用超分辨量子傳感探索了電磁場(chǎng)在10-6波長(cháng)空間內局域增強的現象（Nat. Commun. 12, 6389(2021)）。
在本研究中，研究組結合微納米分辨力的固態(tài)體系量子傳感與電磁場(chǎng)的深亞波長(cháng)局域，發(fā)展高靈敏度微波探測和高精度微波定位技術(shù)。研究組設計了金剛石自旋量子傳感器與金屬納米結構組成的復合微波天線(xiàn)，將自由空間傳播的微波信號收集并匯聚到納米空間，從而通過(guò)探測局域的固態(tài)量子探針狀態(tài)對微波信號進(jìn)行測量。該方法將自由空間弱信號的探測轉換為對納米尺度下電磁場(chǎng)與固態(tài)自旋相互作用的探測，提高了固態(tài)量子傳感器的微波信號測量靈敏度3-4個(gè)量級。為了進(jìn)一步利用高靈敏度的微波探測實(shí)現高精度微波定位，研究組搭建了基于金剛石量子傳感器的微波干涉測量裝置，通過(guò)固態(tài)自旋探測物體反射微波信號與參考信號的干涉結果，得到物體反射微波信號的相位以及物體的位置信息。同時(shí)，研究組利用固態(tài)自旋量子探針與微波光子多次相干相互作用，實(shí)現了量子增強的位置測量精度，達到10微米水平（約波長(cháng)的萬(wàn)分之一）。審稿人認為該工作是金剛石量子傳感器在量子測距中的首次應用(…To my knowledge, this is a first demonstration of quantum ranging platform, based on NV center…)。
與傳統雷達系統相比，該量子測量方法無(wú)需檢測端的放大器等有源器件，降低了電子噪聲等因素對測量極限的影響。通過(guò)后續的研究，將可以進(jìn)一步提高基于固態(tài)自旋量子傳感的無(wú)線(xiàn)電定位精度、采樣率等指標，發(fā)展實(shí)用化固態(tài)量子雷達定位技術(shù)，超過(guò)現有雷達的性能水平。
文章第一作者為中科院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗室陳向東副研究員，通訊作者為孫方穩教授。該工作得到了科技部、基金委、中國科學(xué)院和安徽省的資助。
圖1基于固態(tài)自旋量子體系的射頻信號探測與測距示意圖。
圖2固態(tài)自旋對物體位置測量的結果。
論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-36929-8
Xiang-Dong Chen, En-Hui Wang, Long-Kun Shan, Shao-Chun Zhang, Ce Feng, Yu Zheng, Yang Dong, Guang-Can Guo & Fang-Wen Sun
Nature Communications volume 14, Article number: 1288 (2023)
DOI：10.1038/s41467-023-36929-8
（中科院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗室、中科院量子信息和量子科技創(chuàng )新研究院、物理學(xué)院、科研部）
