中科大实现高精度量子态成像和操控

(记者杨)中科院量子信息重点实验室孙课题组在中科院院士、中国科技大学教授郭广灿的带领下，利用光学超分辨率成像技术，实现了对单自旋态空间分辨率的纳米级测量和操纵，成像精度达到4.1纳米。这项研究结果最近发表在《自然》的一期副刊《光:科学与应用》上。

随着科学技术的不断发展，研究对象的规模越来越小，甚至达到单个电子和质子的水平。为了了解微纳尺度物体的物理性质和动力学过程，需要纳米尺寸的探测器。因此，纳米尺度固态量子测量技术得到了迅速发展。然而，要实现电磁场和其他物理量的高空间分辨率测量，不仅需要高精度的成像和分辨率，还需要高精度的量子态操纵。然而，普通光学成像受到衍射极限的限制，分辨率只能达到300纳米左右。

金刚石中的氮空位色心是金刚石的发光缺陷，由氮杂质和相邻空位组成。近年来，它在量子信息领域受到广泛关注，并有望实现室温下的量子计算和高灵敏度量子测量。

孙的研究小组通过氮离子束注入制备了金刚石氮空位色心，并利用色心不同电荷态的波长依赖特性，有效地控制了色心的电荷态。他们进一步实现了电荷态耗散成像技术，通过对不同波长的激光束进行整形，突破了光学衍射极限。在实验中，他们用50毫瓦的泵浦激光完成了氮空位色心的高分辨率成像，精确度为4.1纳米。此外，基于电荷态耗散成像技术和微波控制技术，他们还实现了高空间分辨率的自旋量子态的操作和测量，展示了高分辨率的磁场测量。

电荷态耗散成像技术不仅可以用于纳米级高精度电磁场测量，还可以广泛应用于基于相邻耦合电子自旋的量子信息和生物检测。

中国科学新闻(2015-02-03，第一版集锦)