中國科學院院士、中國科學技術大學教授郭光燦團隊在實用化量子傳感研究中取得重要進展。

       郭光燦團隊的孫方穩(wěn)研究組利用微納量子傳感與電磁場在深亞波長的局域增強，研究微波信號的探測與無線電測距，實現 10-4 波長精度的定位。3月9日，相關研究成果發(fā)表在《自然-通訊》（Nature Communitions）上。

       基于微波信號測量的雷達定位技術在自動駕駛、智能生產、健康檢測、地質勘探等活動中得到廣泛應用。量子信息技術的發(fā)展為發(fā)展雷達技術提供了新的解決方案。量子傳感和精密測量利用量子相干、關聯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(wěn)研究組面向量子信息技術實用化，致力于固態(tài)自旋體系的量子傳感技術研究，發(fā)展了電荷態(tài)耗盡納米成像方法，實現了基于金剛石氮-空位色心的超衍射極限分辨力電磁場矢量傳感與成像【Phys. Rev. Applied 12, 044039(2019)】，并利用超分辨量子傳感探索了電磁場在 10-6 波長空間內局域增強的現象【Nat. Commun. 12, 6389(2021)】。

       本研究結合微納米分辨力的固態(tài)體系量子傳感與電磁場的深亞波長局域，發(fā)展高靈敏度微波探測和高精度微波定位技術。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，將自由空間傳播的微波信號收集并匯聚到納米空間，從而通過探測局域的固態(tài)量子探針狀態(tài)對微波信號進行測量。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個量級。為了進一步利用高靈敏度的微波探測實現高精度微波定位，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，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，實現了量子增強的位置測量精度，達到10微米水平（約波長的萬分之一）。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。

       與傳統雷達系統相比，該量子測量方法無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。后續(xù)研究將可以進一步提高基于固態(tài)自旋量子傳感的無線電定位精度、采樣率等指標，發(fā)展實用化固態(tài)量子雷達定位技術，超過現有雷達的性能水平。

       研究工作得到科技部、國家自然科學基金、中科院和安徽省的支持。

▲ 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