量子比特是量子计算、量子信息和量子传感等前沿量子科技的基石。量子相干性是量子比特的一个核心参数，表明量子比特维持其量子特性的能力，并直接决定了量子比特的工作性能。发展有效抑制量子比特退相干的方法对量子科技的应用至关重要。金刚石中的氮-空位色心（NV center）是最具代表性的固态量子比特之一，在室温大气环境下的相干时间可达到毫秒量级，因此其作为量子传感器的探测灵敏度极高，理论上可探测单个质子自旋产生的磁场。为了提高量子传感的信噪比和空间分辨，一般需要让NV尽量靠近金刚石表面。然而，受限于浅层NV的制备工艺，生长过程中金刚石近表面易产生大量顺磁缺陷，引起浅层NV的显著退相干，并大幅降低其探测灵敏度。因此，NV的实际探测灵敏度离理论极限存在很大的差距，严重限制了NV量子传感技术的应用。
图1a：自行研制的扫描量子传感显微系统模型图，这项工作的全部数据均来源于该系统；b：扫描量子传感显微系统核心探头的实物照片
江颖课题组长期致力于自主研发先进扫描探针显微镜（SPM）技术，近年来成功将量子传感技术和qPlus型扫描探针技术有机融合，研发了一台扫描量子传感显微系统（图1），国际上首次实现了基于NV的纳米级电场成像和电荷态调控【Bian et al., Nat. Commun. 12, 2457 （2021）】。在此基础上，江颖课题组进一步与杨森课题组合作，针对金刚石近表面电子自旋噪声，创新性地发展了一套基于针尖操纵的“拉出-推离”方法（Pull-and-Push Method）。该方法利用导电针尖的局域强电场在纳米尺度精准操纵电荷，在室温大气环境下实现了金刚石近表面电子自旋噪声的高效抑制，并大幅提升了浅层NV的相干性及其探测灵敏度。该方法对深度5 nm以内的NV尤为有效，其相干时间（T2）最高可提升至20倍，探测灵敏度提升80倍左右，逼近单个质子核自旋的理论探测极限（图2）。
图2a和b：利用SPM针尖局域强电场操纵金刚石近表面电子自旋库的示意图（Pull-and-Push Method）；c：基于针尖操纵法实现了浅层NV色心相干性的大幅提升（T2时间提升20倍）；d：相干性提升后的浅层NV色心探测灵敏度逼近单个质子；e：针尖操纵法对NV色心T2时间的提升倍数统计。该方法对深度5 nm以内的色心尤为有效
研究人员通过噪声谱分析，发现在针尖操纵下金刚石表面和亚表面的未成键电子均被有效耗尽。进一步，通过基于NV的核磁共振测量，在实验上验证了相干性提升后的浅层NV可以探测到金刚石体内的单个13C核自旋和体外的质子团簇核自旋，为实现基于浅层NV的纳米尺度核磁共振成像铺平了道路。该工作不仅为抑制浅层NV的退相干提供了全新的方法，有望突破其在量子传感领域的应用瓶颈，并可广泛适用于金刚石、碳化硅、氮化硼等多种材料中的固态量子比特体系。
北京大学郑闻天博士后和边珂特聘副研究员是文章的共同第一作者；江颖、边珂和杨森是文章的共同通讯作者。该项工作得到了国家自然科学基金委员会、科技部、教育部、北京市政府、量子物质科学协同创新中心的经费支持。
相关论文：
W. Zheng, K. Bian*, X. Chen, Y. Shen, S. Zhang, R. St?hr, A. Denisenko,J. Wrachtrup, S. Yang* and Y. Jiang*, Coherence enhancement of solid-statequbits by local manipulation of the electron spin bath, Nat. Phys. DOI:10.1038/s41567-022-01719-4 (2022).
