高频微波高灵敏测量实现

实现对高频微波的高灵敏测量，能够为高场高频磁共振谱学、太赫兹成像甚至天文学观测提供基础支撑。记者近日从中国科学技术大学了解到，该校中科院微观磁共振重点实验室杜江峰、石发展、孔飞等人，基于金刚石氮—空位（NV）色心量子传感器，实现了皮特斯拉水平的高灵敏微波磁场测量。该项研究成果日前发表在《科学进展》上。

量子传感技术能够大大提升微波的测量灵敏度，目前常见的量子传感器包括里德堡原子、原子磁力计、超导量子干涉仪、金刚石NV色心等。其中NV色心体系因独特的载体稳定性和室温大气环境兼容性，成为极具发展前景的固态量子传感器，而提升其探测灵敏度是最重要的发展方向之一。

提升灵敏度最直接的途径是利用大量NV色心开展并行测量。由于单个NV色心的尺寸只有原子级，即使是毫米级芯片大小的金刚石中也可以集成数以亿万计的NV色心。但是随着尺寸的增加，对所有的NV色心同步地进行量子调控变得更加困难。

为此，研究人员提出一种无需复杂量子调控的测量方案，引入一个稍强的辅助微波与被测微波干涉，产生拍频振荡，相应地NV荧光也会产生频率为拍频的振荡，其振幅与待测微波振幅成正比，相当于用辅助微波“放大”了待测微波。利用该方法，研究团队在体积为0.04立方毫米、包含2.8×1013个NV色心的金刚石量子传感器上成功实现了微波磁场测量，相比此前该体系实现的亚微特斯拉指标水平，测量灵敏度提升了近10万倍。该方法避免了复杂的同步量子操控，可以直接推广到包含更多NV色心的更大体积金刚石量子传感器上，未来有望将测量灵敏度进一步提升至更高量级。

该方案为金刚石量子传感系统的小型化和芯片化奠定了基础，同时也向着金刚石量子传感器在无线通信、磁共振检测等领域的实用化迈出了重要一步。