由普林斯顿大学的娜塔莉·德·莱昂（Nathalie de Leon）领导的研究团队开发了一种基于实验室培育钻石中纠缠点缺陷的新型量子传感技术，能够测量目前最先进的设备也无法触及的现象。该传感器为研究凝聚态物理提供了一种新的视角。

在小于光波长的空间内，电流会以违背直觉的方式从一点跳跃到另一点，磁场也会在原子晶格中螺旋式地传播?？蒲Ъ颐且恢币岳炊贾荒苊蜗胱胖苯庸鄄獾秸庑┢婀邸?/span>

如今，普林斯顿大学的研究人员开发出一种基于金刚石的量子传感器，能够揭示微观尺度下丰富的磁现象信息。这项技术能够探测到现有仪器无法触及的波动，并为石墨烯和超导体等材料的研究提供关键见解。超导体是当今最先进的医学成像工具的基础，也是无损输电线路和悬浮列车等未来热门技术的基础。

这项基于金刚石的传感技术已经研发了五年之久。但在11月27日发表于《自然》杂志的一篇论文中，该团队报告称，其灵敏度比以往的技术提高了约40倍。

论文资深作者、电气与计算机工程副教授娜塔莉·德·莱昂表示，这项新技术使研究人员能够直接观察“极弱磁场和极小长度尺度”的结构。这使得前所未有的测量成为可能，并揭示了隐藏在传统方法统计数据中的磁场波动细节。

德莱昂说：“你们拥有了一种全新的游乐场所。用传统方法根本看不到这些?！?/span>

研究真实量子材料的新方法

她的团队研发的新技术基于人工在实验室培育钻石表面附近制造缺陷。这些钻石大小与一大片海盐相仿，纯度远高于天然钻石，而且人工制造的缺陷极其微小——在数十亿个原子组成的晶格中仅缺失一个原子。但由于这些缺陷与磁场相互作用强烈，并且可以进行精细调控，因此它们是绝佳的磁传感器。

通常，这些传感器被视为空间中的独立点。而在这项最新进展中，德莱昂和她的团队构建了一个系统，该系统将两个缺陷植入得非?？拷沟谜庑┤毕菽芄灰粤孔恿ρУ姆绞较嗷プ饔?。令研究人员惊讶的是，这种相互作用显著提升了整个系统的性能。

“这是一种全新的量子传感器操作方式，使我们能够探测以前无法探测的事物，”哈佛大学实验物理学家菲利普·金（Philip Kim）说道，他并未参与这项研究。金表示，其他试图获取此类信息的技术都局限于精心构建的原子阵列，而非真实材料。这项新技术使科学家能够直接探测真实材料?！罢饩褪撬闹匾运?。”

金目前在德莱昂的实验室里运用互补技术与他合作，研究凝聚态物理。具体来说，他研究的是可以用液氮冷却到临界温度的超导体，以及石墨烯——一种用途看似天马行空但难以大规模制备的材料。

纳特莉·德·莱昂是金刚石量子传感领域的领军人物。

量子纠缠揭示噪声中的信号

为了制造这种新型传感器，研究人员将速度超过每秒3万英尺的氮分子射向钻石。当分子以如此高的能量撞击钻石坚硬的表面时，分子会断裂，其两个不再通过化学键连接的氮原子会分别向不同的方向高速飞入钻石的晶体结构中。

窗体底端

通过精确控制分子撞击钻石时的能量，研究人员可以控制氮原子穿透钻石的深度。在本例中，氮原子穿透了几十个碳原子，在钻石表面以下约20纳米处停止，彼此之间的距离约为10纳米。

如此小的距离使得两个原子能够以产生量子纠缠的方式相互作用，这种特性与人类的经验如此格格不入，以至于阿尔伯特·爱因斯坦曾嘲笑它是“幽灵般的超距作用”。

当电子纠缠在一起时，这两个氮原子中的电子开始同步运动。对其中一个原子的测量结果会完美地反映出另一个原子的测量结果。由于它们仍然代表着不同的点，就像两只眼睛一样，纠缠的传感器可以三角定位噪声波动中的特征信号，从而有效地锁定噪声源。

德莱昂表示，在这个介于原子尺度和可见光波长之间的尺寸范围内，科学家们想要测量以前不可见的量，例如电子在被另一个粒子反弹之前穿过材料的距离，或者在特殊条件下超导材料中出现的磁涡旋的演变。

“事实上，这个范围正是我们感兴趣的长度尺度，”金说。“在这个范围内，我们可以了解很多有趣的事情?！?/span>

传感器的缺陷会导致量子优势

促成这种纠缠传感器的突破来自 Jared Rovny，他于 2020 年开始与 de Leon 合作，是普林斯顿量子计划的首批博士后研究员之一。

罗夫尼刚开始工作时，新冠疫情限制了实验室的开放。因此，和许多同行一样，他开始研究一些不需要现场实验装置的研究方向。他和德莱昂决定深入研究磁噪声理论，看看能否利用金刚石缺陷——氮空位中心——来探测凝聚态物理背景中嗡嗡作响的磁噪声的相关性。

“它最初只是新冠疫情期间一个有点奇怪的理论项目，”德莱昂说。她表示，当时，利用磁噪声感知相关性还不是科学界讨论的话题。事实上，他们最初只是出于纯粹的好奇心才启动了这个项目，并不确定它会走向何方?！爸钡轿颐强冀湎低郴螅乓馐兜剿卸嗝辞看??！?/span>

罗夫尼拥有核磁共振（NMR）方面的专业背景，该领域的研究重点是相互作用的粒子及其相关性。这激发了他的好奇心，也使得这个项目朝着更严肃的方向发展。

“我从事核磁共振研究的那部分，一直都在思考相互作用，”罗夫尼说?！拔蚁胩剿骱芏嗖煌奈锢硌Ц拍睿庑└拍疃加胝庑┪镏实南嗷プ饔糜泄?，而不是将它们视为彼此分离。”他现在是量子计算初创公司Logiqal的物理学家。

起初，他们与威斯康星大学麦迪逊分校（现任职于加州大学伯克利分校）的原子物理学家西蒙·科尔科维茨合作，研究两个非纠缠原子中心之间的关联。虽然这些方法取得了一些有趣的发现，并在2022年发表于《科学》杂志，但它们在技术上也过于繁琐复杂，难以应用于大多数实验。

“我意识到，如果你把它们纠缠在一起，”罗夫尼补充道，指的是氮空位中心，“相关性的存在与否就会给系统留下某种印记。”

指纹识别技术使他们能够绕过最繁琐的问题，并以与使用一个传感器大致相同的成本获得两个传感器的优势。

“现在我只需要做一次测量，”德莱昂说，“一次普通的测量。”

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