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       在量子科学的探索中，如何在固态材料中实现可控纠缠，一直是最棘手的挑战之一。相比原子、离子等“干净”的量子系统，固态自旋材料虽然在传感和应用端更具潜力，但由于缺乏单粒子精细操控、排布随机、环境噪声强烈，始终难以突破标准量子极限。尤其是在宏观自旋体系里，想要制造并探测出真正“有用”的多体纠缠状态，更是科学界长期攻关的难题。
       今日，哈佛大学Norman Y. Yao教授联合加州大学圣塔巴巴拉分校Ania C. Bleszynski Jayich教授首次在室温金刚石氮-空位中心（NV center）自旋体系中，实现了自旋挤压这一标志性量子纠缠效应。他们利用固有的磁偶极-偶极相互作用，在二维自旋层中生成 -0.50 ± 0.13 dB 的量子压缩态，成功把量子投影噪声压低到非纠缠极限以下。这意味着，未来基于NV色心的量子传感器，或将迎来真正的量子增强时代。相关成果以“Spin squeezing in an ensemble of nitrogen–vacancy centres in diamond”为题发表在《Nature》上。中国学者Weijie Wu和 Emily J. Davis为第一共同作者。

       扭转动力学：从经典到量子

       研究团队的实验平台，是一个仅有7 nm厚的金刚石层，内部分布着约160个NV色心（图1a）。每个NV色心都可以看作一个电子自旋系统，并能通过光学方法进行初始化与读出（图1b）。当研究人员把这些自旋“准备”在特定方向后，体系会在自发的偶极-偶极相互作用下演化，表现出类似“单轴扭转模型”（OAT）的动力学特征（图1c）。具体来说，一个初始偏转角为 φo 的自旋态，会绕着z轴发生进动，其角度 φp 随时间线性增加（图1d）。这看似“经典”的动力学，却为后续量子投影噪声的剪切和压缩埋下了伏笔。换句话说，虽然体系存在位置无序，但在短时间内，这种集体动力学仍能模拟出标准自旋挤压过程，为量子纠缠的生成创造条件（图1c,d）。

图1：强相互作用二维NV自旋层的扭转动力学。

       读出新方法：噪声“看不见”，却能量到如何证明体系中真的出现了量子挤压？这是研究的第二个难题。传统NV体系的荧光读出精度有限，往往被光子散粒噪声淹没，远未达到“投影噪声极限”。研究团队巧妙地提出了一种“相互作用辅助的噪声谱学”方案：让体系在不同旋转角度 θ 下演化，然后通过整体自旋的衰减时间 T2 来反推投影噪声大小（图2a,b）。直观来说，如果体系的投影噪声更小，那么它的集体自旋就能维持更长的相干时间（图2c,d）。通过这一方法，研究人员不仅在无序偶极模型中验证了模拟预测（图2e,f），还在实验中成功测量到了椭圆形分布的投影噪声（图2g,h）。最终，他们观察到在演化约3.2 μs时，最小噪声降低达1.45 ± 0.14 dB（图2i,j），为后续真正实现挤压态奠定了基础。

 图2：相互作用辅助的投影噪声读出

       无序的阻碍：强耦合“团伙”的破坏性

       然而，事情并没有想象中那么简单。由于NV色心在晶格中的位置是随机的，常常会形成一些“强耦合二聚体”，它们的动力学远快于整体体系。这些“团伙”带来的后果是：集体自旋长度快速衰减，却对投影噪声的降低帮助不大。结果就是，虽然看到了噪声减小，但量子挤压参数 ξn² 却始终大于1，无法证明真正的纠缠增强（图3a,b）。为了解决这一瓶颈，团队设计了两种“格点工程”方法（图3c,d）：一种是通过频率选择性微波脉冲，把强耦合的二聚体“隔离”到不参与动力学的能级（shelving）；另一种是施加强横场并缓慢退火，让二聚体发生绝热去极化（depolarization）。这两种方式，本质上都是要“清除掉搅局者”，只保留更有序的子群体参与挤压过程。实验数据显示，这样的处理显著延缓了自旋衰减（图3e,f），而剩余自旋群体的投影噪声仍然能正常剪切，呈现出标准的椭圆分布（图3g,h）。这意味着，困扰多年的“无序诅咒”终于被部分破解。

图3：通过格点工程降低位置无序

       突破时刻：固态自旋挤压的诞生

       当格点工程手段与相互作用辅助读出结合，研究人员终于捕捉到历史性的一幕：自旋压缩参数 ξn² 在演化约1.6 μs时降至0.89（即-0.50 dB），明确进入“量子增强”区域（图4c,f）。这也是首次在室温、固态NV色心体系中实现自旋挤压。值得一提的是，两种方法（shelving与depolarization）都成功复现了这一结果（图4a–f），且实验数据与数值模拟高度吻合。这不仅验证了理论预言，也为后续放大挤压量、提升传感灵敏度提供了方向。

图4：在NV体系中实现自旋挤压。

       总结与展望

       这项工作，标志着量子增强传感从“原子气室”正式跨入了“固态芯片”的新阶段。研究人员指出，如果能进一步提升NV色心的定向排布精度（比如利用离子注入或退火工艺），并在测量端接近投影噪声极限，那么基于金刚石的量子传感器就能在生物成像、材料探测等领域实现前所未有的灵敏度。更重要的是，这种“去无序+读出新法”的组合思路，并不限于金刚石。无论是极冷原子气体、光晶格分子，还是Rydberg体系，都可能借鉴这一方法，在嘈杂背景中挖掘出真正的量子资源。换句话说，这不仅是一次实验突破，更是一次“量子材料工程”的范式创新。