普林斯頓團隊利用糾纏中心開發高靈敏度鑽石量子感測器

普林斯頓大學的研究團隊開發出一種基於鑽石的量子感測器，其靈敏度較先前技術提升了四十倍，能夠揭示奈米尺度下的磁性現象。這項技術的核心是利用實驗室生長鑽石表面附近的工程化缺陷，特別是氮-空缺（NV）中心，透過量子糾纏來增強感測性能。該研究成果已於2025年11月26日發表於《自然》（Nature）期刊上，標誌著極微觀尺度測量能力的一項進展。

此項突破的關鍵在於成功地將兩個NV中心植入極近的距離，使其能透過量子糾纏進行量子力學上的交互作用，從而有效過濾雜訊並精確三角定位信號。研究團隊透過以超過每秒三萬英尺的速度轟擊鑽石表面，促使氮分子破裂並將兩個氮原子嵌入晶體結構中，精確控制了這些糾纏電子對的間距約在十奈米。

領導此項研究的普林斯頓大學電機與電腦工程系副教授娜塔莉·德·萊昂（Nathalie de Leon）指出，這種新方法允許進行單次、常規的測量，規避了先前基於非糾纏中心進行關聯檢測時所涉及的繁瑣步驟。德·萊昂教授的研究領域專注於利用鑽石中的色心（如NV中心）來構建量子硬體，並探索用於超導量子位元的材料系統。

該理論工作的發起人是賈里德·羅夫尼（Jared Rovny），他於2020年以普林斯頓量子倡議首批博士後研究員的身份加入德·萊昂的團隊，並在COVID-19疫情期間進行了理論探索。傳統上，基於鑽石的探測方法已發展約五年，但先前技術，例如羅夫尼、德·萊昂與西蒙·科爾科維茨（Shimon Kolkowitz）在2022年《科學》（Science）雜誌上發表的成果，涉及非糾纏中心的關聯檢測，技術上較為複雜。

這種極高靈敏度的感測器對於深入理解石墨烯和超導體等材料的磁性行為至關重要，這些材料是先進醫療成像工具的基礎，並有望推動無損耗電網和磁浮列車等未來技術的發展。哈佛大學的實驗物理學家菲利普·金（Philip Kim）雖然未參與此研究，但他強調新方法能直接探測真實材料的內部情況，克服了先前技術受限於必須仔細建構的原子晶格的限制。

德·萊昂教授總結，這種新穎的單次測量方法，相較於過去需要複雜關聯檢測的技術，極大地簡化了操作流程，為量子材料研究開闢了新的探索領域。該研究的資金來源包括戈登與貝蒂·摩爾基金會、國家科學基金會，以及透過美國能源部與國家情報總監辦公室間的機構間協議所資助的橡樹嶺科學教育研究所。