----這篇文章中，Daniel Twitchen和Matthew Markham解釋了為什么碳的最具吸引力的同素異形體（譯者注：金剛石）可能會(huì)成為量子物理學(xué)家最好的朋友。

量子缺陷

       在20世紀(jì)，許多改變世界的科技都是基于量子力學(xué)的，包括半導(dǎo)體，激光和其他現(xiàn)在普遍存在的設(shè)備。然而，在整個(gè)第一次量子革命中，量子物理學(xué)的一個(gè)關(guān)鍵特性——疊加態(tài)——在很大程度上仍然存在于實(shí)驗(yàn)室中，與其說是在研究它可能的應(yīng)用，倒不如說研究它純粹是出于科學(xué)家的好奇心。

       然而，由于一些旨在實(shí)現(xiàn)第二次量子革命的重要舉措，使得這種情況即將發(fā)生變化。這場(chǎng)革命成功的關(guān)鍵是掌握能夠“輕松”設(shè)計(jì)和控制量子比特的能力。對(duì)于“輕松”這個(gè)詞，我們必須很謹(jǐn)慎，因?yàn)槌跏蓟孔討B(tài)并長(zhǎng)時(shí)間的保持在疊加態(tài)是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)。科學(xué)家正在嘗試許多不同的方法，使用各種材料進(jìn)行相關(guān)方面的競(jìng)爭(zhēng)，如超導(dǎo)體，合成金剛石，冷原子和量子點(diǎn)等等。但是，無論是對(duì)量子計(jì)算還是其他應(yīng)用，如磁場(chǎng)感應(yīng)，金剛石確實(shí)具有一些吸引人的優(yōu)勢(shì)。

       化“短”為長(zhǎng)

       吸引量子準(zhǔn)革命者的金剛石中存在一個(gè)缺陷，這個(gè)缺陷位于規(guī)則的碳原子晶格中。該缺陷由單個(gè)氮原子和缺失的碳原子或者空位相結(jié)合而組成。除了其他性質(zhì)，氮空位（NV）中心具有獨(dú)特的光學(xué)吸收和發(fā)射性質(zhì)，它使金剛石具有紅色到粉紅色的顏色——這些特性長(zhǎng)期以來一直是晶體結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)研究的焦點(diǎn)。

       除了其不尋常的光學(xué)特性外，負(fù)電荷狀態(tài)下的NV中心在其基態(tài)下也具有電子自旋S = 1。值得注意的是，處于這個(gè)態(tài)的電子自旋可以在室溫下被控制和讀出。原因在于，與大多數(shù)材料不同，金剛石中的晶格形成低噪聲環(huán)境，因此不會(huì)丟失脆弱的量子特性，并且可以更長(zhǎng)時(shí)間的存儲(chǔ)和探測(cè)信息。當(dāng)系統(tǒng)被微波輻射激發(fā)時(shí)，可以通過測(cè)量由NV中心發(fā)出的光的強(qiáng)度來讀出自旋狀態(tài)。在NV中心2.88 GHz的共振頻率下，自旋狀態(tài)將從0翻轉(zhuǎn)到+1或-1，導(dǎo)致發(fā)出的紅光強(qiáng)度出現(xiàn)一個(gè)下陷。

       這種自旋狀態(tài)的穩(wěn)健性和易讀性使得NV金剛石成為各種量子技術(shù)的一個(gè)非常有應(yīng)用前景的平臺(tái)，潛在的應(yīng)用有（量子）安全通信，（量子）計(jì)算，（量子）成像和（量子）傳感等。最近金剛石界的重點(diǎn)研究領(lǐng)域之一是使用NV缺陷來測(cè)量磁場(chǎng)。由于塞曼相互作用，NV金剛石中0→1和-1→0微波躍遷的頻率之間的間隙隨著磁場(chǎng)的增加而增加。因此，在最簡(jiǎn)單的情況下，可以通過將NV中心暴露于不同頻率的微波中并測(cè)量發(fā)光強(qiáng)度兩個(gè)下陷之間的（頻率）間隔來估計(jì)磁場(chǎng)的大小。值得注意的是，這種類型的測(cè)量基本可以在室溫下使用單個(gè)NV中心進(jìn)行。對(duì)于多個(gè)NV中心，金剛石晶格的幾何特性意味著可以對(duì)磁場(chǎng)的方向及其大小進(jìn)行極其靈敏的測(cè)量。

（基于NV金剛石的）精密工程技術(shù)

       原料

       當(dāng)然，已經(jīng)存在許多估量磁場(chǎng)的技術(shù)。這些技術(shù)包括超導(dǎo)量子干涉裝置（SQUID），蒸汽室，磁通門傳感器和構(gòu)成現(xiàn)代智能手機(jī)中指南針的霍爾效應(yīng)傳感器。然而，基于SQUID的磁力計(jì)必須進(jìn)行低溫冷卻，（冷卻設(shè)備）使這種磁力計(jì)變得相對(duì)笨重，而且增加了運(yùn)行成本。而其他傳感器技術(shù)需要頻繁重新校準(zhǔn)，并且只能在有限的頻率帶寬里面來測(cè)量變化的磁場(chǎng)。相比之下，基于NV金剛石的傳感器不需要重新校準(zhǔn)，具有寬帶寬，可以集成到輕便、低功耗的設(shè)備中。重要的是，由于高空間分辨率的微觀探針，NV中心可以用來構(gòu)建材料表面上的磁場(chǎng)圖。由于這些原因，基于金剛石的磁力計(jì)既可作為現(xiàn)有技術(shù)的替代品，也可以促進(jìn)全新技術(shù)的應(yīng)用。

       然而，要使這些應(yīng)用成為現(xiàn)實(shí)，我們需要現(xiàn)成的高品質(zhì)NV金剛石。 NV中心在天然金剛石中很少見，如果僅限于使用單個(gè)樣品，則很難進(jìn)行大量研究。 我們可以使用化學(xué)氣相沉積（CVD）合成生長(zhǎng)NV金剛石。該過程包括用氫氣，甲烷和氮?dú)獾幕旌衔锾畛湮⒉ㄊ遥⑵浼訜嶂?500-3000K以產(chǎn)生等離子體。來自等離子體的碳原子逐層沉積在腔室中的金剛石“種子”表面上，這個(gè)“種子”最終會(huì)成為新金剛石的核。氫會(huì)使表面穩(wěn)定，促進(jìn)沉積的碳原子形成金剛石而不是石墨，而氮充當(dāng)摻雜劑，使得形成NV中心成為可能。

       上面的這一過程使我們能夠以可控和可擴(kuò)展的方式生長(zhǎng)金剛石，其純度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過天然金剛石。它還可以控制NV中心的數(shù)量。在高純度條件下，通過生長(zhǎng)過程中的化學(xué)作用產(chǎn)生少量的NV中心。因?yàn)檫@些孤立的空位可以在實(shí)驗(yàn)中單獨(dú)探測(cè)，因此這種類型的NV金剛石非常適合用于進(jìn)行量子計(jì)算。磁感應(yīng)應(yīng)用需要更多的NV中心，這一目標(biāo)可以通過增加合成過程中的氮濃度，然后用高能電子轟擊晶體來創(chuàng)造額外的空位來實(shí)現(xiàn)。將金剛石加熱到800°C會(huì)使這些空位通過晶格遷移，直到它們遇到氮原子才會(huì)停止遷移; 此時(shí)，NV中心具有比單獨(dú)的氮和空位更低的勢(shì)能，因此這種結(jié)構(gòu)會(huì)變得十分穩(wěn)定。

       潛在的應(yīng)用

       金剛石量子技術(shù)非常有前景，許多應(yīng)用已經(jīng)處于概念性驗(yàn)證階段。這些包括材料表征中的應(yīng)用，例如用于下一代磁性硬盤驅(qū)動(dòng)器的寫頭的納米級(jí)成像，以及生物成像。新的壓力和溫度傳感方法，以及基于金剛石的量子計(jì)算的可能性，使這一研究領(lǐng)域變得激動(dòng)人心而且成果累累。

       我們相信金剛石將依舊是我們理解量子世界的有用工具。然而，真正令人興奮的是基于這種理解能夠?qū)崿F(xiàn)的技術(shù)。 2016年底，由美國哈佛大學(xué)的Ron Walsworth領(lǐng)導(dǎo)的一組研究人員利用金剛石中的NV中心研究海洋蠕蟲中的神經(jīng)元活動(dòng)，測(cè)量具有高空間分辨率的單個(gè)神經(jīng)元的微小磁脈沖。沒有其他現(xiàn)有技術(shù)能夠以如此高的靈敏度和分辨率進(jìn)行測(cè)量; 標(biāo)準(zhǔn)核磁共振成像的最大空間分辨率約為1 立方毫米，理論上基于金剛石的磁場(chǎng)感應(yīng)可以為我們提供化學(xué)反應(yīng)過程中細(xì)胞水平（譯者注：1-100微米之間）的圖像。有了這種原理驗(yàn)證性的實(shí)驗(yàn)，在理解大腦如何工作方面我們希望能獲得突破，并且能夠發(fā)展出新的診斷和治療方案。