咋聽起來(lái)，許多人會(huì)感到奇怪，鉆石這個(gè)人類的寶貴修飾品，怎么又跟量子新時(shí)代連在了一起？鉆石不僅是漂亮的寶石，它還具有許多遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出其美的吸引力的特性。這種特殊形式的碳現(xiàn)在具有許多實(shí)際的量子應(yīng)用，正在與即將出現(xiàn)的鉆石量子新應(yīng)用將會(huì)產(chǎn)生更加深刻的影響，科學(xué)家們稱之為金剛石量子技術(shù)（Diamond Quantum Technologies）。

       在20世紀(jì)之交，科學(xué)家們努力了解微觀世界是如何工作而結(jié)果產(chǎn)生了量子力學(xué)，從而創(chuàng)新了我們現(xiàn)在的日常生活，例如激光、晶體管、手機(jī)、電腦等，這是依賴于量子力學(xué)作用的“量子1.0”技術(shù)革命?，F(xiàn)在進(jìn)入21世紀(jì)，科學(xué)家們?cè)趪L試發(fā)展下一波創(chuàng)新，“量子 2.0”技術(shù)革命依賴于操縱和讀取量子態(tài)，利用疊加和糾纏的量子效應(yīng)。
       當(dāng)前，正在針對(duì)這場(chǎng)革新研究的許多技術(shù)解決方案，例如超導(dǎo)、被困離子、量子點(diǎn)、光子和半導(dǎo)體中的缺陷。每種技術(shù)都有各自優(yōu)缺點(diǎn)。捕獲的離子具有出色的量子性質(zhì)，但集成起來(lái)具有挑戰(zhàn)性；超導(dǎo)體電路可以制造，但只能在低溫下工作。此時(shí)，金剛石材料突 穎而起，因?yàn)楸阌谕ㄟ^(guò)使其更易于集成到電子設(shè)備中的固態(tài)化，并在室溫下工作，而提供了發(fā)揮作用的技術(shù)解決方案。

       量子金剛石

       對(duì)金剛石的許多量子應(yīng)用研究集中在識(shí)別可以在碳晶格中發(fā)現(xiàn)的數(shù)百種不同缺陷。一種這樣的缺陷是帶負(fù)電荷的氮空位缺陷，稱為NV缺陷。1997年，德國(guó)開姆尼茨工業(yè)大學(xué)的研究證明，可以操縱單個(gè)NV缺陷并在室溫下提供光學(xué)輸出。這一發(fā)現(xiàn)引發(fā)了金剛石量子技術(shù)領(lǐng)域。該過(guò)程稱為光學(xué)檢測(cè)磁共振（ODMR），由于NV缺陷，在掃描施加的微波場(chǎng)時(shí)，在對(duì)單個(gè)NV缺陷或它們的集合照射綠光后測(cè)量熒光變化時(shí)，通過(guò)測(cè)量熒光強(qiáng)度，可以讀出缺陷的自旋狀態(tài)。

       如上圖所示的NV缺陷。一個(gè)完美的重復(fù)碳原子的菱形晶格。除去兩個(gè)相鄰的原子，然后用氮替換一個(gè)原子（圖中亮藍(lán)色），而另一個(gè)保持“空”或空位（淺藍(lán)色）。這是金剛石中的中性氮空位缺陷，它可以具有四個(gè)不同的晶體學(xué)取向。如果晶格附近存在另一個(gè)缺陷，該缺陷中的電子能量較高，通常是一個(gè)沒有空位的替代氮，則該電子將轉(zhuǎn)移到氮空位上，使其帶負(fù)電。
       與帶負(fù)電的氮空位（NV）缺陷相關(guān)的電子占據(jù)了空位周圍的懸空鍵，因此其能級(jí)與捕獲離子中的能級(jí)相似。這些NV缺陷具有的能量水平特定組合，使得無(wú)論基態(tài)自旋的電子開始，一旦晶體與綠色光照射時(shí)，會(huì)通過(guò)能量水平周期和在統(tǒng)計(jì)上更可能進(jìn)入自旋狀態(tài)，使電子圍繞該環(huán)路循環(huán)足夠的次數(shù)，自旋將有效地對(duì)齊。一旦處于基態(tài)，就可以通過(guò)施加微波和進(jìn)一步的光脈沖來(lái)操縱NV缺陷以進(jìn)行量子實(shí)驗(yàn)。利用了缺陷所發(fā)出的光量是“亮”或“暗”的事實(shí)，測(cè)量時(shí)其基態(tài)的自旋。
       在接下來(lái)的十來(lái)年里，科學(xué)家們利用這項(xiàng)技術(shù)，希望將金剛石用作量子信息設(shè)備，例如量子計(jì)算機(jī)中的量子比特或“量子比特”。同時(shí)，許多公司開始開發(fā)新技術(shù)，以利用微波輔助化學(xué)氣相沉積技術(shù)為工業(yè)應(yīng)用生產(chǎn)高純度合成單晶金剛石，如下圖所示成批生產(chǎn)的4×4×0.5毫米的高純度合成單晶金剛石。

元素六CVD金剛石

       德國(guó)斯圖加特大學(xué)以及美國(guó)哈佛大學(xué)的研究表明，可以將金剛石用于制作一個(gè)磁性傳感器，其中NV缺陷的光學(xué)輸出的亮度取決于磁場(chǎng)強(qiáng)度，從而提出了許多使用NV缺陷的新應(yīng)用。金剛石之所以能提供如此出色的量子缺陷宿主，是因?yàn)槠渚w結(jié)構(gòu)。例如，金剛石是一種寬帶隙材料，這意味著它可以在光學(xué)狀態(tài)下通過(guò)躍遷能量來(lái)容納一系列缺陷，從而使這些缺陷可以用現(xiàn)成的激光進(jìn)行處理。

       金剛石設(shè)備

       基于金剛石鉆石的量子設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)之一是其簡(jiǎn)單性?；驹O(shè)備可以由綠色光源、金剛石、小型微波源和光電探測(cè)器制成。這是因?yàn)橛行У墓鈱W(xué)初始化和NV自旋的讀取過(guò)程不需要專門的窄線寬激光器，甚至可以使用簡(jiǎn)單的綠色LED。
       荷蘭代爾夫特理工大學(xué)的科學(xué)家將金剛石中的NV缺陷用作100％安全量子互聯(lián)網(wǎng)中的“量子轉(zhuǎn)發(fā)器節(jié)點(diǎn)”。在這樣的網(wǎng)絡(luò)中，量子點(diǎn)被機(jī)械地糾纏在一起，從而建立了一條從源到接收器的鏈，可以在遠(yuǎn)距離上傳輸量子信息。
       另一個(gè)新興的應(yīng)用是基于金剛石的激射器，它發(fā)明于1950年代，并不像激光那樣廣泛使用，但仍具有許多不可估量的應(yīng)用。微波激射器因其高增益和極低的噪聲而被用于射電天文學(xué)和深空通信。它們?cè)诙虝r(shí)間范圍內(nèi)如此穩(wěn)定，因此還可以用作振蕩器，從而實(shí)現(xiàn)全球定位系統(tǒng)所需的高精度定時(shí)。

       利用金剛石傳感探測(cè)

       金剛石磁場(chǎng)傳感器原則上比其他傳感器技術(shù)具有許多優(yōu)勢(shì)。例如，它是一個(gè)固有的矢量傳感器，因?yàn)樗豊V缺陷的軸很敏感，這意味著可以使用四個(gè)不同的NV方向來(lái)重構(gòu)矢量場(chǎng)。它還具有巨大的帶寬，對(duì)幾個(gè)數(shù)量級(jí)的磁場(chǎng)敏感。金剛石磁場(chǎng)傳感器原則上比其他傳感器技術(shù)具有許多優(yōu)勢(shì)。

       上圖所示為防干擾的GPS定位系統(tǒng)。美國(guó)國(guó)防公司洛克希德·馬丁公司的GPS金剛石磁力計(jì)，它不依賴于會(huì)干擾的外部源。該系統(tǒng)目前只有鞋盒大小，但可以縮小到冰球的大小，該磁力計(jì)可以用作不依賴外部信號(hào)的另一種GPS。通過(guò)使用金剛石磁力計(jì)的矢量功能來(lái)感應(yīng)地球磁場(chǎng)的強(qiáng)度和方向而起作用。鑒于地球場(chǎng)的變化取決于在地面上的位置，因此可使用此信息來(lái)定位自己，而無(wú)需依賴可能被干擾的外部源。
       該傳感器還可以反向使用以檢測(cè)射頻（RF）場(chǎng)。在此配置中，以受控方式將磁場(chǎng)梯度放置在含NV的金剛石上，然后提供已知的能級(jí)塞曼位移。當(dāng)施加未知頻率的微波信號(hào)時(shí)，在對(duì)應(yīng)于該頻率的位置處出現(xiàn)磁共振。這種方法的最大優(yōu)勢(shì)在于，可以一次測(cè)量并以高分辨率測(cè)量整個(gè)頻譜（超過(guò)幾十GHz）。該技術(shù)可用于5G網(wǎng)絡(luò)中，以防止相鄰基站之間的干擾。
       德國(guó)的金剛石公司正在使用金剛石來(lái)增強(qiáng)磁共振成像（MRI），將其從解剖學(xué)轉(zhuǎn)變?yōu)轭愃朴谡娮影l(fā)射斷層掃描（PET）的分子成像方式。該技術(shù)的原理是將電子自旋從NV缺陷轉(zhuǎn)移到目標(biāo)分子的核自旋。將NV缺陷與目標(biāo)分子緊密接觸，然后用綠光照射，并施加微波源。然后，通過(guò)使用一系列微波脈沖，自旋可以從金剛石轉(zhuǎn)移到目標(biāo)分子的核自旋。核自旋持續(xù)足夠長(zhǎng)的時(shí)間，以允許將分子適用于患者和在MRI中具有高對(duì)比度的測(cè)量。
       金剛石現(xiàn)已確立為量子材料與量子技術(shù)革命的主要參與者，金剛石的量子未來(lái)已來(lái)。

       文章作者為：元素六的Matthew Markham博士和Daniel Twitchen博士

       原文鏈接：https://physicsworld.com/a/the-diamond-quantum%E2%80%AFrevolution/