我校郭光燦院士團隊在實用化量子傳感研究中取得重要進展。孫方穩(wěn)教授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(xiàn)10-4波長精度的定位。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(dá)定位技術(shù)在自動駕駛、智能生產(chǎn)、健康檢測、地質(zhì)勘探等活動中得到廣泛應(yīng)用。尤其在當(dāng)前智能化、信息化發(fā)展大趨勢下，發(fā)展高性能雷達(dá)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(dá)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(tǒng)對物理量的測量靈敏度，有望超越傳統(tǒng)測量手段的精度。孫方穩(wěn)研究組面向量子信息技術(shù)實用化，長期研究固態(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，實現(xiàn)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(nèi)局域增強的現(xiàn)象（Nat. Commun. 12, 6389(2021)）。
在本研究中，研究組結(jié)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(shù)。研究組設(shè)計了金剛石自旋量子傳感器與金屬納米結(jié)構(gòu)組成的復(fù)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(zhuǎn)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(xiàn)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(jié)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(xiàn)了量子增強的位置測量精度，達(dá)到10微米水平（約波長的萬分之一）。審稿人認(rèn)為該工作是金剛石量子傳感器在量子測距中的首次應(yīng)用(…To my knowledge, this is a first demonstration of quantum ranging platform, based on NV center…)。
與傳統(tǒng)雷達(dá)系統(tǒng)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。通過后續(xù)的研究，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(biāo)，發(fā)展實用化固態(tài)量子雷達(dá)定位技術(shù)，超過現(xiàn)有雷達(dá)的性能水平。
文章第一作者為中科院量子信息重點實驗室陳向東副研究員，通訊作者為孫方穩(wěn)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(jié)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實驗室、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）
