中科大实现突破光学散射极限的高精度量子态成像和操控

中国科学技术大学中科院院士郭光灿领导的中科院量子信息重点实验室孙方稳研究组利用光学超分辨成像技术实现了对单个自旋态的纳米量级空间分辨率测量和操控，其成像精度达到4.1纳米，研究成果发表在2015年1月2日的《光：科学与应用》上，课题组的博士生陈向东和邹长铃是论文的共同第一作者。

随着科学技术的不断发展，研究对象的尺度也越来越小，甚至达到单个电子和单个质子的程度。为了了解微纳尺度物体的物理属性及动力学过程，需要纳米尺寸的探测器。因此，基于纳米尺度的固态量子测量技术得到了快速的发展。然而利用近邻金刚石氮-空位色心等固态纳米量子体实现高空间分辨率的电磁场矢量和梯度的测量，不仅需要高精度的成像和分辨，而且还需要实现要求更高、实验难度更大的高精度量子态操控。孙方稳研究组基于金刚石氮-空位色心系统中的电荷态耗散成像技术，实验实现了突破光学散射极限的光学远场成像和量子态操控，空间分辨率达到了纳米量级。

孙方稳研究组通过氮离子束注入制备了金刚石氮-空位色心，并利用氮-空位色心中不同电荷态发光的波长依赖特性，对色心的电荷态进行了高效的控制。进一步通过对不同波长激光的光束整形，实现了电荷态耗散成像技术。实验上利用50毫瓦泵浦激光完成了对氮-空位色心的高分辨成像，精度达到4.1纳米。此外，基于该电荷态耗散成像技术和微波调控技术，他们还实现了高空间分辨率的自旋量子态的操作和测量，演示了高精度磁场矢量的测量。该电荷态耗散成像技术原理类似于2014年诺贝尔化学奖获得者S.W. Hell教授发明的受激发射耗散成像技术。实验获得的成像精度是光学散射极限的1/86，超过了S.W. Hell教授等人之前在相同系统中利用5瓦激光泵浦所获得的光学散射极限1/67的精度。

该电荷态耗散成像技术不仅仅可以用微纳尺度的高精度电磁场测量，还将在基于近邻耦合电子自旋的量子信息和生物检测中得到广泛应用。

上述研究得到了科技部、国家自然科学基金委和量子信息与量子科技前沿协同创新中心的资助。

a，b分别是普通共聚焦扫描显微成像和利用电荷态耗尽高精度成像测量的结果。b图中每个亮点都对应着单个金刚石NV色心。

来源：中国科学技术大学