研究团队实现量子增强微波测距

使用量子传感器进行高精度射频测距的方案。a 使用量子传感器测距的无线电的概念设置。两条相同频率的RF路径用作参考（RF A）和测距信号（RF B）。测距信号由距离为 L 的目标反射。然后，两条路径之间的自由空间干涉信号被限制在微尺度体积中，并与NV中心量子传感器相互作用。b 提取目标距离信息的原理。反向散射RF脉冲的相位随目标位置变化，如φ（L）。它确定振幅（B射频）的反向散射和参考RF脉冲之间的干扰。随后，量子传感器的Rabi振荡速率将随目标位置而变化，如Ω（L）。最后通过测量金刚石中NV中心系综的电子自旋来估计目标的位置。来源：自然通讯 （2023）。DOI： 10.1038/s41467-023-36929-8

发表在《自然通讯》上的一项研究强调了由中国科学院（中国科学院）郭光灿院士和孙方文教授领导的团队在实际量子传感方面取得的进展。该团队利用微纳米量子传感，结合深亚波长尺度的局部电磁场增强，研究微波信号的检测和无线测距，实现了10-4波长。

基于微波信号测量的雷达定位技术广泛应用于自动驾驶、智能制造、健康监测、地质勘探等活动。在这项研究中，研究团队将固态系统的量子传感与微纳分辨率和电磁场的深度亚波长定位相结合，开发了高灵敏度微波探测和高精度微波定位技术。

研究人员设计了一种由金刚石自旋量子传感器和金属纳米结构组成的复合微波天线，该天线收集并在自由空间传播的微波信号汇聚到纳米空间。通过探测本地域中的固态量子探针状态，他们测量了微波信号。该方法将自由空间微弱信号的检测转化为纳米尺度的电磁场和固态自旋相互作用检测，将固态量子传感器的微波信号测量灵敏度提高了3-4个数量级。

为了进一步利用高灵敏度微波探测实现高精度微波定位，研究人员构建了基于金刚石量子传感器的微波干涉测量装置，通过固态自旋检测反射微波信号与物体参考信号之间的干涉结果，获得了反射微波信号的相位和物体的位置信息。基于固态自旋量子探针与微波光子多次的相干相互作用，他们实现了精度为10微米（约波长的万分之一）的量子增强位置测量。

与传统雷达系统相比，这种量子测量方法在检测端不需要放大器等有源器件，减少了电子噪声等因素对测量限值的影响。后续研究将进一步提高基于固态自旋量子传感的无线电定位精度、采样率等指标，并开发超越现有雷达性能水平的实用固态量子雷达定位技术。

更多信息：陈向东等人，量子增强无线电探测和固体自旋测距，自然通讯（2023）。DOI： 10.1038/s41467-023-36929-8

期刊信息：自然通讯