普林斯顿团队利用量子纠缠将金刚石传感器灵敏度提升四十倍

普林斯顿大学的一个研究团队开发出一种基于金刚石的量子传感器，该技术利用量子纠缠特性，将探测纳米尺度下磁性现象的灵敏度提升至先前技术的约40倍。这项物理学上的进展为凝聚态物理学研究开辟了新的方向，相关成果已于2025年11月26日发表在权威科学期刊《自然》（Nature）上。

该创新技术的核心在于对实验室培育的金刚石表面附近的人工缺陷——即氮-空位（NV）中心——进行精细工程化处理。研究人员通过以超过每秒30,000英尺的速度轰击金刚石，促使氮分子断裂，并将两个氮原子嵌入晶格结构中，使其彼此相距约10纳米。这种极近的距离使得两个NV中心的纠缠电子能够以量子力学方式协同作用，从而能够从背景噪声中精准地三角定位磁场信号。

领导该研究的普林斯顿大学副教授娜塔莉·德莱昂（Nathalie de Leon）指出，这种新方法允许研究人员仅通过一次正常的测量即可获取数据，从而规避了以往依赖复杂关联检测方法的繁琐流程。该研究的理论基础工作由贾里德·罗夫尼（Jared Rovny）启动，他与德莱昂教授在疫情期间对利用NV中心检测磁噪声的关联性进行了理论探索。

这种纳米尺度的磁场结构观测能力，对于深入理解石墨烯和超导体等前沿材料的内在机制至关重要。超导体技术不仅支撑着当前先进的医疗成像设备，还被视为实现无损耗输电线和磁悬浮列车等未来技术的基础。哈佛大学的实验物理学家菲利普·金（Philip Kim）虽未参与此项研究，但他强调，与传统技术通常局限于在精心构建的原子晶格阵列上进行探测不同，普林斯顿团队的新方法可以直接探查真实材料的特性，这对于凝聚态物理研究具有重要的不可替代价值。

德莱昂教授的团队此前在2022年《科学》（Science）杂志上探讨了非纠缠NV中心间的关联性测量，但该方法在技术上较为繁琐。此次通过引入量子纠缠这一资源，研究人员在实现对10纳米尺度下磁场关联的探测方面取得了显著进展，为探究原子尺度与可见光波长之间尺度范围内的物理现象提供了前所未有的工具。该研究获得了戈登和贝蒂·摩尔基金会、美国国家科学基金会以及美国能源部与国家情报总监办公室通过机构间协议提供的橡树岭科学与教育研究所的资金支持。