量子纠缠助力纳米级单个原子磁性探测

检测单个自旋（包括稳定态和亚稳态）是量子传感领域的一项基本挑战，在凝聚态物理、量子化学和单分子磁共振成像等领域有着广泛应用。尽管金刚石中的氮-空位（NV）中心已成为强大的纳米级传感器，但其单自旋检测性能仍受较大环境噪声和有限传感体积的限制。本研究提出并演示了一种纠缠增强传感方案，通过策略性地利用纠缠NV对来克服这些限制。在环境条件下，与单个NV中心相比，我们的方法将灵敏度提高了3.4倍，空间分辨率提升了1.6倍。该方案利用精心设计的纠缠态，通过量子干涉放大目标自旋信号，同时抑制环境噪声。关键的是，我们将这些能力扩展到解析亚稳态单自旋动态，通过识别与状态相关的耦合强度，直接观察不同自旋态之间的随机跃迁。这种双重功能能够同时检测静态和动态自旋种类，从而用于研究复杂的量子系统。所实现的性能确立了纠缠增强传感作为一种可行途径，可用于量子材料和界面的原子尺度表征。