Nanoscale magnetic resonance spectroscopy allows study of physical, chemical, and biophysical phenomena in minute samples, but its sensitivity and spatial resolution are limited by the probe-target distance, and a chip-integrated quantum sensor is still in demand. To address both challenges, this work proposes a quantum sensor based on a valley-spin qubit created from a deformed carbon nanotube. The system achieves high sensitivity because of the large valley g-factor and tiny diameter of a single-walled carbon nanotube, and offers all-electric coherent control and efficient readout, without optical elements, which facilitates the integration of a sensor array on a chip.

量子传感利用量子系统作为传感器来测量磁场、电场、时间、频率、旋转、温度和压力等各种物理量，具有广泛的应用价值。近年来，纳米尺度磁共振测量技术为研究极微小体积样品中的物理、化学和生物现象提供了一种新颖的实验观测手段。当前，发展纳米尺度磁共振测量技术面临两个有待解决的关键问题。首先是如何实现极小尺度的量子探针，这直接决定了量子探针与待测目标的距离，以及测量可以达到的最优灵敏度和分辨率。其次是量子探针的可扩展性问题，这一问题的解决是实现集成量子传感装置的必要条件。

针对以上两个问题，华中科技大学物理学院量子传感与量子测量实验室基于碳纳米管双量子点系统提出了一种新型的纳米尺度磁共振测量方案。该方案将碳纳米管放置在源极和漏极之间，通过施加门电压囚禁电子的方法构造双量子点模型（n_L, n_R），其中n_L, n_R分别表示左右量子点中电子的数目。在大偏压条件下，库伦阻塞可以保证电子按照（0，1）→（1，1）↔（0，2）→（0，1）的顺序循环跃迁。但是，受到泡利阻塞的限制，在（1，1）状态下的两个电子只有处于单重态才允许跃迁。当其中一个电子与待测分子耦合时，在磁偶极-偶极相互作用下，三重态和单重态之间将建立新的跃迁通道，从而影响隧穿电流的大小。新的跃迁通道导致的跃迁几率依赖于电子的驱动Rabi频率和待测分子中核自旋拉莫进动频率之间的失谐量，因此隧穿电流共振信号可以直接反应出单分子的核磁共振谱。

该方案的优势在于碳纳米管的半径很小，并且编码在量子点中的valley-spinqubit具有较大的朗德g因子，因此作为量子探针，它与待测目标之间的较强耦合可以保证量子传感的超高测量灵敏度。此外，该测量过程中涉及到的所有操控都可以通过控制电压来实现，因此该方案在扩展性和集成性方面更具优势，为实现集成量子传感提供了新的途径。

论文链接：Nanoscale Magnetic Resonance Spectroscopy Using a Carbon Nanotube Double Quantum Dot, WanluSong, Tianyi Du, Haibin Liu, Martin B. Plenio, and Jianming Cai, Phys.Rev. Applied 12, 054025 (2019).