2020年10月16日，中共中央政治局就量子科技研究和應(yīng)用前景舉行第二十四次集體學(xué)習(xí)。提出要充分認(rèn)識(shí)推動(dòng)量子科技發(fā)展的重要性和緊迫性，加強(qiáng)量子科技發(fā)展戰(zhàn)略謀劃和系統(tǒng)布局，把握大趨勢(shì)，下好先手棋。
       首先，量子科技是什么？量子科技目前主要有四個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域：量子通信（也稱量子保密通信）、量子計(jì)算、量子模擬、量子傳感和計(jì)量。高大上的量子科技優(yōu)點(diǎn)通俗來(lái)說(shuō)就是能夠儲(chǔ)存海量的信息，能實(shí)現(xiàn)保密通信，支付寶賬號(hào)、網(wǎng)絡(luò)通信等信息被盜取的可能性大大減少，并且有實(shí)現(xiàn)瞬間移動(dòng)和穿越時(shí)空的概念可能。量子科技的發(fā)展將對(duì)國(guó)防、經(jīng)濟(jì)、生活產(chǎn)生不可估量的作用。
       其實(shí)量子科技從2016年已經(jīng)開(kāi)始成為重點(diǎn)支持的產(chǎn)業(yè)方向，其中量子通信頻繁出現(xiàn)在《十三五國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展規(guī)劃》、《“十三五”國(guó)家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》等重要國(guó)家規(guī)劃中，在2019年出臺(tái)的《長(zhǎng)江三角洲區(qū)域一體化發(fā)展規(guī)劃綱要》中，量子通信也成為了長(zhǎng)三角未來(lái)規(guī)劃布局產(chǎn)業(yè)重點(diǎn)。此外，美國(guó)在10月7日也發(fā)布了《量子前沿報(bào)告》。可以發(fā)現(xiàn)的是，大國(guó)對(duì)量子科技的投入，正在不斷加碼。

       1、量子科技應(yīng)用大有可為

比如我們北斗衛(wèi)星導(dǎo)航用的時(shí)間測(cè)量系統(tǒng)，就是量子科技在全球定位或者是衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的一個(gè)重要應(yīng)用，大幅提高了定位的精準(zhǔn)度。

       今年3月，中國(guó)科研人員實(shí)現(xiàn)了500公里級(jí)真實(shí)環(huán)境光纖的雙場(chǎng)量子密鑰分發(fā)和相位匹配量子密鑰分發(fā)，傳輸距離達(dá)到509公里，創(chuàng)造了新的世界紀(jì)錄。
       9月，郭光燦院士團(tuán)隊(duì)與奧地利同行合作，首次實(shí)現(xiàn)了高保真度的32維量子糾纏態(tài)，顯著提高了量子通信的信道容量。
       9月5日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)常務(wù)副校長(zhǎng)、中國(guó)科學(xué)院院士潘建偉教授公布光量子計(jì)算最新進(jìn)展，他帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了光量子計(jì)算性能超過(guò)谷歌53比特量子計(jì)算機(jī)的100萬(wàn)倍。

       因此量子科技研究和應(yīng)用前景正在成為中國(guó)前沿科技的發(fā)展重點(diǎn)。量子科技的發(fā)展具有重大的科學(xué)意義和戰(zhàn)略價(jià)值，是一項(xiàng)對(duì)傳統(tǒng)技術(shù)體系產(chǎn)生沖擊、進(jìn)行重構(gòu)的重大顛覆性技術(shù)創(chuàng)新，并將引領(lǐng)新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的方向。

       2、量子領(lǐng)域的科研利器——金剛石

       為推進(jìn)量子科技革命，加深對(duì)量子材料的認(rèn)識(shí)尤為重要。量子材料通常在極低溫條件下會(huì)展現(xiàn)出一些奇特的性質(zhì)，例如超導(dǎo)現(xiàn)象等。超導(dǎo)體除了電阻為零外，還會(huì)排斥內(nèi)部的磁場(chǎng)，這種現(xiàn)象叫做邁斯納效應(yīng)。
       這些現(xiàn)象只會(huì)在低溫條件下發(fā)生。如果我們能找到一些材料即使不在低溫下也能展現(xiàn)超導(dǎo)性質(zhì)，將會(huì)帶來(lái)革命性的變化。
       含有晶體缺陷的金剛石，成為全球量子科研人員的“重點(diǎn)關(guān)注對(duì)象”。
       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，這種帶負(fù)電荷的氮空位缺陷，稱為NV色心。NV色心具有獨(dú)特的光學(xué)吸收和發(fā)射性質(zhì)，它使金剛石略微帶有粉色或黃色。

       除了其不尋常的光學(xué)特性外，負(fù)電荷狀態(tài)下的NV色心在其基態(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。

       3、金剛石的量子未來(lái)已來(lái)

       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)，如量子安全通信，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)域之一就是使用NV色心來(lái)測(cè)量磁場(chǎng)。

GPS金剛石磁力計(jì)

       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色心可以用來(lái)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。

（基于NV金剛石的）精密工程技術(shù)

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。
       然而，要想完美地實(shí)現(xiàn)這些應(yīng)用，我們就需要高品質(zhì)NV色心金剛石。但是NV色心在天然金剛石中很少見(jiàn)，如果僅限于使用單個(gè)樣品，則很難進(jìn)行大量研究。中國(guó)作為人造金剛石大國(guó)，擁有完善的人造金剛石產(chǎn)業(yè)鏈，高品質(zhì)的原輔材料、先進(jìn)的工藝設(shè)備，在合成高品質(zhì)NV色心金剛石領(lǐng)域具有先決優(yōu)勢(shì)。
       通過(guò)化學(xué)氣相沉積法（CVD），使用氫氣，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(lái)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，從而合成高品質(zhì)NV色心金剛石。
       亦如元素六的Matthew Markham博士所說(shuō)：“金剛石是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)。”
       由中國(guó)超硬材料網(wǎng)&DT新材料主辦的第五屆國(guó)際碳材料大會(huì)暨產(chǎn)業(yè)展覽會(huì)——金剛石論壇將于2020年11月17-20日在上海跨國(guó)采購(gòu)會(huì)展中心拉開(kāi)帷幕。屆時(shí)，元素六將以金剛石在量子前沿領(lǐng)域研究進(jìn)展為話題，交流金剛石的量子應(yīng)用，誠(chéng)邀您共同探索金剛石未來(lái)應(yīng)用前景！

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