據(jù)外媒報(bào)道，美國(guó)麻省理工學(xué)院（MIT）的研究人員首次在硅芯片上打造了一種基于金剛石的量子傳感器，從而能夠?yàn)榈统杀?、可擴(kuò)展的量子計(jì)算、傳感和通信硬件鋪平道路。

（圖片來源：MIT官網(wǎng)）

金剛石中的“氮空位中心”（NV centers）是一種電子缺陷，能夠被光和微波控制。但是，此種缺陷會(huì)發(fā)出彩色光子，攜帶周圍磁場(chǎng)和電場(chǎng)的量子信息，可以用于生物傳感、目標(biāo)探測(cè)和其他傳感應(yīng)用。但是，傳統(tǒng)的基于NV的量子傳感器有餐桌那么大，還配備了昂貴的分立元器件，限制其實(shí)用性和可擴(kuò)展性。

不過，MIT的研究人員找到一種方法，利用傳統(tǒng)的半導(dǎo)體制造技術(shù)，將所有體積龐大的組件，包括微波發(fā)生器、光學(xué)濾波器和光探測(cè)器等都集成至一個(gè)尺寸只有毫米大小的包裝中。值得注意的是，該傳感器能夠在室溫下工作，具有感應(yīng)磁場(chǎng)方向和強(qiáng)度的能力。

研究人員展示了該傳感器可用于磁力測(cè)量，意味著能夠測(cè)量由于周圍磁場(chǎng)引起的原子尺度的頻率變化，而周圍磁場(chǎng)可能會(huì)包含有關(guān)周圍環(huán)境的信息。經(jīng)過進(jìn)一步完善，該傳感器還可用于其他領(lǐng)域，如繪制大腦中的電脈沖圖、在漆黑的環(huán)境中探測(cè)物體等。

什么是氮空位中心（NV）

如果金剛石晶格結(jié)構(gòu)中兩個(gè)相鄰位置的碳原子消失，其中一個(gè)原子被氮原子取代，另一個(gè)位置“缺失”，就會(huì)造成NV中心，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)中缺失了鍵，而此類結(jié)構(gòu)中的電子會(huì)對(duì)周圍環(huán)境中的電、磁和光學(xué)特性的微小變化極其敏感。

NV中心本質(zhì)上是一個(gè)原子，有一個(gè)原子核，周圍還有電子，還具備光致發(fā)光特性，能夠吸收和發(fā)射彩色光子。掃過NV中心的微波可讓其改變狀態(tài)（正、中性和負(fù)），反過來改變電子的自旋，根據(jù)自旋，NV中心又會(huì)發(fā)射不同數(shù)量的紅色光子。

而光學(xué)檢測(cè)磁共振（ODMR）技術(shù)能夠測(cè)量出NV中心與周圍磁場(chǎng)相互作用后發(fā)出的光子數(shù)量，此種相互作用產(chǎn)出了有關(guān)磁場(chǎng)的可量化信息。為了實(shí)現(xiàn)這一切，傳統(tǒng)的傳感器需要各種體積龐大的組件（餐桌那么大），包括一個(gè)安裝在其上面的激光器、電源、微波發(fā)生器、傳輸光和微波的導(dǎo)體、一個(gè)光學(xué)濾波器和傳感器以及一個(gè)讀出組件。

不過，MIT研究人員研發(fā)出一種新型芯片架構(gòu)，采用標(biāo)準(zhǔn)互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）技術(shù)，以某種方式定位微小、廉價(jià)的組件，并將它們堆疊起來。

金剛石內(nèi)的NV中心是該芯片的“傳感區(qū)”，小型的綠色激光會(huì)激發(fā)NV中心，同時(shí)放置在NV中心附近的納米線會(huì)根據(jù)電流產(chǎn)生掃掠微波?；緛碚f，激光與微波會(huì)配合工作，讓NV中心發(fā)出不同數(shù)量的紅色光子，而差值就是研究人員需要的目標(biāo)信號(hào)。

在NV中心下方是一個(gè)光電二極管，能夠消除噪音并測(cè)量光子。在金剛石和光電二極管之間是一個(gè)金屬光柵，作為一個(gè)過濾器，能夠吸收綠色激光光子，同時(shí)允許紅色光子到達(dá)光電二極管。簡(jiǎn)而言之，能夠在芯片上實(shí)現(xiàn)ODMR設(shè)備，從而測(cè)量帶有磁場(chǎng)信息的紅色光子的共振頻率變化。

但是，如何讓一個(gè)芯片完成一臺(tái)大型機(jī)器的工作呢？關(guān)鍵在于移動(dòng)產(chǎn)生微波的導(dǎo)線，使其與NV中心保持最佳距離。即使芯片很小，該距離就足以讓導(dǎo)線電流產(chǎn)生足夠的磁場(chǎng)以操縱電子。此外，微波導(dǎo)線和電路在設(shè)計(jì)中都被考慮在內(nèi)，而且被緊密集成至芯片中。研究人員表示，其設(shè)計(jì)能夠產(chǎn)生足夠的磁場(chǎng)，用于目標(biāo)探測(cè)。

在今年早些時(shí)候，研究人員還介紹了第二種傳感器，其設(shè)計(jì)得到了改進(jìn)，靈敏度提高了100倍。研究人員表示，接下來，將把其靈敏度提高1000倍，即要擴(kuò)大芯片的尺寸，以增加NV中心的密度。

如果能夠成功，該傳感器甚至可用于神經(jīng)成像應(yīng)用，即將傳感器放在神經(jīng)元附近，探測(cè)神經(jīng)元放電的強(qiáng)度和方向，從而幫助研究人員繪制神經(jīng)元之間的連接圖，并觀察哪些神經(jīng)元會(huì)互相觸發(fā)。其他應(yīng)用還包括替代車輛和飛機(jī)上的GPS，由于能夠很好地繪制出地球磁場(chǎng)，量子傳感器就能成為極其精確的指南針，即使在沒有GPS的環(huán)境中也是如此。