中國(guó)科大實(shí)現(xiàn)量子增強(qiáng)的微波測(cè)距

中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)郭光燦院士團(tuán)隊(duì)在實(shí)用化量子傳感研究中取得重要進(jìn)展。孫方穩(wěn)教授研究組利用微納量子傳感與電磁場(chǎng)在深亞波長(zhǎng)的局域增強(qiáng)，研究微波信號(hào)的探測(cè)與無(wú)線電測(cè)距，實(shí)現(xiàn)10-4波長(zhǎng)精度的定位。該成果于3月9日發(fā)表在國(guó)際知名期刊《自然·通訊》上。

基于微波信號(hào)測(cè)量的雷達(dá)定位技術(shù)在自動(dòng)駕駛、智能生產(chǎn)、健康檢測(cè)、地質(zhì)勘探等活動(dòng)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(shì)下，發(fā)展高性能雷達(dá)測(cè)距技術(shù)對(duì)國(guó)防安全和經(jīng)濟(jì)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(cè)量利用量子相干、關(guān)聯(lián)等特性提升系統(tǒng)對(duì)物理量的測(cè)量靈敏度，有望超越傳統(tǒng)測(cè)量手段的精度。孫方穩(wěn)研究組面向量子信息技術(shù)實(shí)用化，長(zhǎng)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(shí)現(xiàn)基于金剛石氮-空位色心的超衍射極限分辨力電磁場(chǎng)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(chǎng)在10-6波長(zhǎng)空間內(nèi)局域增強(qiáng)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(chǎng)的深亞波長(zhǎng)局域，發(fā)展高靈敏度微波探測(cè)和高精度微波定位技術(shù)。研究組設(shè)計(jì)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(hào)收集并匯聚到納米空間，從而通過(guò)探測(cè)局域的固態(tài)量子探針狀態(tài)對(duì)微波信號(hào)進(jìn)行測(cè)量。該方法將自由空間弱信號(hào)的探測(cè)轉(zhuǎn)換為對(duì)納米尺度下電磁場(chǎng)與固態(tài)自旋相互作用的探測(cè)，提高了固態(tài)量子傳感器的微波信號(hào)測(cè)量靈敏度3-4個(gè)量級(jí)。為了進(jìn)一步利用高靈敏度的微波探測(cè)實(shí)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(cè)量裝置，通過(guò)固態(tài)自旋探測(cè)物體反射微波信號(hào)與參考信號(hào)的干涉結(jié)果，得到物體反射微波信號(hào)的相位以及物體的位置信息。同時(shí)，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(shí)現(xiàn)了量子增強(qiáng)的位置測(cè)量精度，達(dá)到10微米水平(約波長(zhǎng)的萬(wàn)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(cè)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(cè)量方法無(wú)需檢測(cè)端的放大器等有源器件，降低了電子噪聲等因素對(duì)測(cè)量極限的影響。通過(guò)后續(xù)的研究，將可以進(jìn)一步提高基于固態(tài)自旋量子傳感的無(wú)線電定位精度、采樣率等指標(biāo)，發(fā)展實(shí)用化固態(tài)量子雷達(dá)定位技術(shù)，超過(guò)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(guó)科學(xué)院和安徽省的資助。