科研人員實現量子增強的微波測距

中國科學技術大學郭光燦院士團隊的孫方穩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10^-4波長精度的定位。相關研究成果日前發表于《自然-通訊》。

基于固態自旋量子體系的射頻信號探測與測距示意圖 中國科大供圖

基于微波信號測量的雷達定位技術在自動駕駛、智能生產、健康檢測、地質勘探等活動中得到廣泛應用。尤其在當前智能化、信息化發展大趨勢下，發展高性能雷達測距技術對國防安全和經濟發展等方面有重要意義。

量子信息技術的發展為發展雷達技術提供了新的解決方案。量子傳感和精密測量利用量子相干、關聯等特性提升系統對物理量的測量靈敏度，有望超越傳統測量手段的精度。孫方穩研究組面向量子信息技術實用化，長期研究固態自旋體系的量子傳感技術。發展了電荷態耗盡納米成像方法，實現基于金剛石氮-空位色心的超衍射極限分辨力電磁場矢量傳感與成像，并利用超分辨量子傳感探索了電磁場在10^-6波長空間內局域增強的現象。

在此次研究中，研究組結合微納米分辨力的固態體系量子傳感與電磁場的深亞波長局域，發展高靈敏度微波探測和高精度微波定位技術。研究組設計了金剛石自旋量子傳感器與金屬納米結構組成的復合微波天線，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量子探針狀態對微波信號進行測量。該方法將自由空間弱信號的探測轉換為對納米尺度下電磁場與固態自旋相互作用的探測，提高了固態量子傳感器的微波信號測量靈敏度3-4個量級。

為進一步利用高靈敏度的微波探測實現高精度微波定位，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，通過固態自旋探測物體反射微波信號與參考信號的干涉結果，得到物體反射微波信號的相位以及物體的位置信息。同時，研究組利用固態自旋量子探針與微波光子多次相干相互作用，實現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用。”

研究人員介紹，與傳統雷達系統相比，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。通過后續的研究，將可以進一步提高基于固態自旋量子傳感的無線電定位精度、采樣率等指標，發展實用化固態量子雷達定位技術，超過現有雷達的性能水平。

相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s41467-023-36929-8