美国加利福尼亚大学（尔湾）（University of California, Irvine）的Wilson Ho教授研究组利用基于飞秒太赫兹（THz）泵浦-探测的扫描隧道显微镜（STM）技术，在原子级空间分辨与飞秒级时间分辨尺度上实现了氢分子（H2）量子相干性的精确测量。这一相干性的测量来源于H2在氮化铜（Cu2N）岛上不同吸附位点所构成的双能级系统，及其相干叠加态在THz电场作用下的高灵敏响应。相关研究成果于4月21日发表在《科学》杂志上。
量子传感和量子计算已显示出优于经典过程的优势。与量子计算追求长退相干时间的不同，量子传感更追求量子系统对外部环境的高灵敏度。目前，金刚石氮空位 (NV色心)、俘获离子和单电子晶体管已被用作量子传感器。但是在这些体系中，由于传感器的大尺寸或实验技术的局限性，难以实现原子尺度的空间分辨率。
针对量子传感器在高空间与时间分辨尺度的精确测量，Wilson Ho教授研究组通过把THz脉冲耦合到STM针尖与衬底之间的纳腔，研究Cu2N岛上单个H2分子在双能级系统（TLS）之间的相干叠加。通过进行太赫兹整流光谱（TRS）和太赫兹泵浦探针测量，他们证明了单个H2分子的相干性对其周围环境的敏感性。STM腔中的太赫兹脉冲可以将H2的两个低能态耦合在一个双阱势中，并产生一个叠加态，该叠加态以与两个低能态的能级分裂相对应的频率周期性振荡。这种相干振荡的阻尼提供了两能级系统与其周围环境相互作用的退相干时间的度量。H2分子二能级系统相干振荡对外加电场和衬底表面化学环境的极端敏感性预示着H2分子在STM纳腔中可用于极端量子传感。相对于其他量子传感器，如金刚石中的NV色心，STM纳腔中的H2分子相干传感器可同时提供原子尺度的空间分辨率和飞秒时间分辨率，并具有GHz能量分辨能力。
对H2分子两能级系统在复杂环境中相干测量和相干振荡的控制，为实现从单原子到杂原子分子，以及固体表面的量子传感开辟了一条途径。