Entanglement-enhanced nanoscale single-spin sensing

Недавно команда Ду Цзянфэна из Научно-технического университета Китая раскрыла метод наноразмерного сенсоринга одиночных спинов с усилением за счёт квантовой запутанности. Результаты данного исследования были опубликованы в журнале Nature 26 ноября 2025 года.

Обнаружение одиночных спинов (включая стабильные и метастабильные состояния) представляет собой фундаментальную задачу в области квантового сенсоринга, с приложениями, широко охватывающими физику конденсированного состояния, квантовую химию и магнитно-резонансную визуализацию отдельных молекул. Хотя азотно-примесные центры (NV-центры) в алмазе уже развились в мощные наноразмерные сенсоры, их производительность в детектировании одиночных спинов по-прежнему ограничена значительным уровнем шумов окружающей среды и ограниченным объёмом сенсорного взаимодействия.

Исследовательская группа предложила и подтвердила сенсорный протокол на основе усиления через запутанность, который преодолевает указанные ограничения посредством стратегического использования запутанных NV-пар. Этот метод при комнатной температуре обеспечивает чувствительность, в 3.4 раза превышающую таковую у одиночного NV-центра, и повышение пространственного разрешения в 1.6 раза. Протокол использует тщательно разработанные запутанные состояния для усиления сигнала целевого спина за счёт квантовой интерференции, одновременно подавляя шумы окружающей среды. Ключевым достижением является расширение этой технологии для анализа динамики метастабильных одиночных спинов. Идентифицируя зависимую от спинового состояния силу связи, удалось непосредственно наблюдать случайные переходы между различными спиновыми состояниями. Эта двойная функциональность делает возможным одновременное детектирование статических и динамических спиновых видов, открывая новые пути для характеризации сложных квантовых систем. Показатели производительности, достигнутые в данном исследовании, утверждают усиление сенсоринга посредством запутанности как работоспособный метод для атомарной характеризации квантовых материалов и интерфейсов.