Overcoming frequency resolution limits using a solid-state spin quantum sensor
在精密测量的微观世界里，如何分辨两个频率极度接近的信号？这曾是光谱学和传感领域的一大核心挑战。近日，我实验室研究团队在物理学知名期刊《Physical Review Letters》上发表题为“Overcoming Frequency Resolution Limits Using a Solid-State Spin Quantum Sensor”的研究论文。该研究提出并实验验证了一种名为“超分辨率量子传感”的新技术，成功打破了传统频率分辨率的限制。
图1. 双信号源还是单宽谱源？量子传感如何挑战这种"不可辨识"的极限？
精确辨别两个极其接近的物理量是精密测量科学的核心任务。在光谱学和信号处理领域，一个长久以来的基础挑战在于：当两个不相干信号的频率差缩小到一定程度时，它们在频谱上会相互重叠，导致传感器无法对其进行有效分辨。这一现象被称为“分辨率极限”。特别地，在纳米尺度的核磁共振（NMR）应用中，目标信号往往具有极短的相干时间和高度的随机性，这导致目前最先进的关联频谱技术(Correlation spectroscopy)与量子外差探测技术(Quantum heterodyne detection) 无法被有效应用。后者为了获得极高的分辨率，通常需要极长的测量时间，但这在许多脆弱的生物样本或快速演变的物理过程中是不切实际的。因此，如何打破这一传统理论的分辨率界限，实现“超分辨率”传感，成为了量子精密测量领域亟待攻克的科学难题。
针对这一瓶颈，实验室研究团队在近期发表于《物理评论快报》的研究中，提出并实验验证了一种全新的“超分辨率量子传感”方案。该方案的核心在于巧妙地利用了量子力学中的统计特性，通过精确调控量子传感器的探测时间，成功绕过了传统测量中量子投影噪声（QPN）对分辨率的限制。在传统的频率辨别任务中，当两个信号的频率差趋近于零时，它们的可区分度会因为噪声的掩盖而迅速衰减。然而，我们的研究从理论上证明并从实验上证实，通过选择特定的“超分辨率条件”进行测量，即使在两个频率极度接近的情况下，系统对频率微小差异的响应不仅不会消失，反而会得到显著增强。这种独特的机制使得频率分辨率与测量时间的缩放关系从传统的t⁻¹跨越到了t⁻²(其中t为单次测量与信号相互作用时间)的标度关系, 实现了质的飞跃。
在实验实现上，我们利用金刚石中的单个氮-空位（NV）色心作为量子传感器，并结合了极其精密的量子操控手段。为了进一步提升测量的信噪比，研究团队创新性地引入了NV色心内部的15N原子核自旋作为辅助量子存储器。通过实施单次读出技术（Single-Shot Readout），我们有效地压制了由于光子收集效率有限而产生的经典测量噪声。实验数据显示，在仅为 80 微秒的极短探测时间内，该量子传感器便成功分辨出了亚千赫兹级别（sub-kHz）的频率微小差异，这一表现远超传统方法的性能极限。
图2. (a) 基于核自旋的NV色心单次读出技术；(b) 亚千赫兹频率分辨率: 绿色对应不满足超分辨条件 (传统量子传感方案)，红色对应满足超分辨条件。
这项工作不仅在物理学上展示了量子传感与探测技术在克服经典测量限制方面的巨大威力和实用价值，更在应用层面为纳米光谱学和生物磁共振成像开辟了新途径。未来，这项超分辨率传感技术有望使我们能够以前所未有的精度探测单个蛋白质分子的化学位移和动态演化，为量子技术赋能基础科学研究提供一个强有力的范例。
该成果是华中科技大学与德国乌尔姆大学（Martin B. Plenio教授以及Fedor Jelezko教授）共建的HUST-UULM中德量子传感与量子测量国际联合实验室自2018年成立以来长期合作取得的又一重要成果，华中科技大学2016级博士生现德国乌尔姆大学博士后曹青云、德国乌尔姆大学Genko T. Genov博士后为共同第一作者，华中科技大学2016级博士生现德国乌尔姆大学博士后刘宇、华中科技大学物理学院智能量子中心储耀明副教授、蔡建明教授为文章共同通讯作者。