鉆石，因?yàn)樗拿利惗屓藷釔邸＜儍舻你@石晶瑩美麗，閃著耀眼的光芒。

       鉆石，當(dāng)之無愧的寶石之王
       鉆石在自然界里又是最堅(jiān)硬的物質(zhì)。由于它的堅(jiān)硬，鉆石在工業(yè)上一直都有應(yīng)用，在切割和打磨必不可少金剛石和金剛砂，它們都是鉆石的一種。

　　隨著第二次量子革命的到來，人們又開始發(fā)現(xiàn)了鉆石在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)上有著越來越多的應(yīng)用。使鉆石正成為第二次量子革命里的一顆璀璨的明珠。

　　大家都知道，鉆石是由碳原子形成的晶體。當(dāng)晶格上二個碳原子被一個氮原子（圖中紫色球）和一個碳原子缺失（圖中灰色球）所替代時 （碳原子缺失也稱為空穴），就形成了一種有瑕疵的鉆石。這種有瑕疵的鉆石就是在量子技術(shù)里大名鼎鼎的量子鉆石, 學(xué)名，NV色心（Nitrogen Vacancy Color Center）。

NV色心是兩個碳原子被一個氮原子（紫色）和一個碳原子缺失（灰色）所替代

       量子鉆石之所以有名，是因?yàn)樗诹孔佑嬎?，量子通訊，量子傳感器都有著廣泛的應(yīng)用。同時也被用來測試量子力學(xué)里的量子糾纏（quantum entanglement）。

　　量子鉆石最初的應(yīng)用是在量子計算方面
　　NV色心的量子力學(xué)特性是在1997年被科學(xué)家發(fā)現(xiàn)的。NV色心具有明確的自旋特性。這使它表現(xiàn)地像一個原子。

NV色心有著明確的自旋特性

　　NV色心具有明確的自旋特性，它的堅(jiān)硬又提供了穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，再加上NV色心可以在室溫下操作，這是NV空色心成為量子比特載體的最佳候選。

　　那時大家對量子計算機(jī)非常樂觀。覺得量子計算機(jī)時代很快就會到來。人們相信建造數(shù)百個量子比特的量子計算機(jī)應(yīng)該是5到10年的事情。但不幸的是二十多年過去了，人們投入大量的金錢和人力，人們距離原先設(shè)定的量子計算機(jī)的目標(biāo)還差的很遠(yuǎn)。這是因?yàn)槿藗冊谑褂肗V色心做量子比特載體時遇到很多意想不到的挑戰(zhàn)。

　　其中一個難以克服的挑戰(zhàn)是NV色心自旋方向很不穩(wěn)定。自旋方向?qū)τ谥車拇艌龈叨让舾小３３艿椒浅Ｎ⑿〉耐饨绱艌龆绊?。　　于是，科學(xué)家就從另一個角度考慮這個問題。既然自旋方向常常會被周圍微小的磁場所影響，那么是不是可以利用這個特征，做出高敏感的磁強(qiáng)儀來呢？他們嘗試了這條道路，結(jié)果獲得了意外的成功。這也算是失之東隅，收之桑榆吧。

　　科學(xué)家利用量子鉆石做高敏感磁強(qiáng)儀的成功，使科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了很多實(shí)際的應(yīng)用。下面筆者簡單地介紹兩個量子鉆石在量子傳感器領(lǐng)域里的兩個具體的應(yīng)用。

　　量子鉆石顯微鏡（Quantum Diamond Microscope，QDM）
　　哈佛教授傅羅杰（Roger Fu）帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)利用NV空色心對磁場的高度敏感而研發(fā)的量子鉆石顯微鏡。他們的顯微鏡可以達(dá)到1微米的分辨率。

哈佛團(tuán)隊(duì)研發(fā)出的量子鉆石顯微鏡

　　羅杰教授的是杰出的地球物理學(xué)家。他利用這臺鉆石量子顯微鏡，分析了太陽系形成早期的地球磁場情況，得到了很多地球形成早期狀態(tài)的成果。

　　單細(xì)胞醫(yī)療診斷（Single-cell medical diagnosis）
　　哈佛的另一教授帶的另一個團(tuán)隊(duì)在單細(xì)胞的醫(yī)療診斷的研究。

　　由于癌細(xì)胞具有不同的磁特性，非常靈敏的磁探頭可以把這些癌細(xì)胞一個一個的挑出來。

左邊是量子鉆石探頭示意圖，右邊是被探測的細(xì)胞

　　而量子鉆石就恰恰具有這種超高的磁靈敏度。上面的示意圖顯示了量子鉆石探針如何探測到一個癌細(xì)胞。當(dāng)血液流過后，就可以把所有癌細(xì)胞標(biāo)志出來。這種量子鉆石單細(xì)胞醫(yī)療診斷儀比傳統(tǒng)方法做的儀器要敏感100倍，快10倍，儀器小100倍。而價錢只是十分之一。這位教授建立的公司QDTI已經(jīng)開始做這種設(shè)備的量產(chǎn)。隨著這種單細(xì)胞診斷的普及，人類戰(zhàn)勝癌癥的那一天會越來越近。