中國科大實現(xiàn)量子增強的微波測距

近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)郭光燦院士團隊在實用化量子傳感研究中取得重要進展。孫方穩(wěn)教授研究組利用微納量子傳感與電磁場在深亞波長的局域增強，研究微波信號的探測與無線電測距，實現(xiàn)10-4波長精度的定位。該成果于3月9日發(fā)表在國際知名期刊《自然·通訊》上。

基于微波信號測量的雷達定位技術(shù)在自動駕駛、智能生產(chǎn)、健康檢測、地質(zhì)勘探等活動中得到廣泛應(yīng)用。尤其在當前智能化、信息化發(fā)展大趨勢下，發(fā)展高性能雷達測距技術(shù)對國防安全和經(jīng)濟發(fā)展都方面有重要意義。

量子信息技術(shù)的發(fā)展為發(fā)展雷達技術(shù)提供了新的解決方案。量子傳感和精密測量利用量子相干、關(guān)聯(lián)等特性提升系統(tǒng)對物理量的測量靈敏度，有望超越傳統(tǒng)測量手段的精度。

孫方穩(wěn)研究組面向量子信息技術(shù)實用化，長期研究固態(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，實現(xiàn)基于金剛石氮-空位色心的超衍射極限分辨力電磁場矢量傳感與成像（Phys. Rev. Applied 12， 044039（2019）），并利用超分辨量子傳感探索了電磁場在10-6波長空間內(nèi)局域增強的現(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的深亞波長局域，發(fā)展高靈敏度微波探測和高精度微波定位技術(shù)。

基于固態(tài)自旋量子體系的射頻信號探測與測距示意圖

固態(tài)自旋對物體位置測量的結(jié)果

研究組設(shè)計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收集并匯聚到納米空間，從而通過探測局域的固態(tài)量子探針狀態(tài)對微波信號進行測量。該方法將自由空間弱信號的探測轉(zhuǎn)換為對納米尺度下電磁場與固態(tài)自旋相互作用的探測，提高了固態(tài)量子傳感器的微波信號測量靈敏度3-4個量級。

為了進一步利用高靈敏度的微波探測實現(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量裝置，通過固態(tài)自旋探測物體反射微波信號與參考信號的干涉結(jié)果，得到物體反射微波信號的相位以及物體的位置信息。同時，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，實現(xiàn)了量子增強的位置測量精度，達到10微米水平（約波長的萬分之一）。

審稿人認為該工作是金剛石量子傳感器在量子測距中的首次應(yīng)用（…To my knowledge， this is a first demonstration of quantum ranging platform， based on NV center…）。

與傳統(tǒng)雷達系統(tǒng)相比，該量子測量方法無需檢測端的放大器等有源器件，降低了電子噪聲等因素對測量極限的影響。通過后續(xù)的研究，將可以進一步提高基于固態(tài)自旋量子傳感的無線電定位精度、采樣率等指標，發(fā)展實用化固態(tài)量子雷達定位技術(shù)，超過現(xiàn)有雷達的性能水平。

審核編輯 ：李倩