王光祖，黃祥芬，衛(wèi)鳳午，呂華偉，王鵬輝

(1.鄭州磨料磨具磨削研究所,河南 鄭州 450001；2.鄭州人造金剛石及制品工程技術(shù)中心有限公司，河南 鄭州 450001)

1 引言

人造金剛石最近成為一系列基于量子技術(shù)應(yīng)用的備選材料，包括：安全量子通信，量子計(jì)算機(jī)和電場/磁場感應(yīng)[1]。量子應(yīng)用使用量子物理學(xué)頂尖的領(lǐng)域來執(zhí)行操作，在經(jīng)典物理學(xué)系統(tǒng)中這些操作是不可能實(shí)現(xiàn)的。金剛石量子技術(shù)為21世紀(jì)的兩個(gè)關(guān)鍵問題提供了潛在的解決方案，這就是生物醫(yī)學(xué)和持續(xù)增長的信息經(jīng)濟(jì)。金剛石有能力缺陷變成量子資源，這種缺陷是特定的，即氮空位缺陷(NV)，其獨(dú)特的性質(zhì)使其量子態(tài)可以在室溫下使用光束來操縱和讀出。在基于量子的應(yīng)用中，人造金剛石充當(dāng)雜質(zhì)或缺陷的主體，像固態(tài)原子陷阱一樣起作用。這些雜質(zhì)的量子特性，例如氮空位缺陷，可以單獨(dú)操作并使其相互作用，并且從這些雜質(zhì)發(fā)出的光的光子可以用于讀出它們的量子信息[2]。

科學(xué)家可通過改變化學(xué)成分操控人造金剛石的性質(zhì)。這種化學(xué)操作被稱為摻雜。事實(shí)證明這種”摻雜”金剛石正成為從量子信息到生物傳感的一系列技術(shù)的廉價(jià)替代材料。否則，開發(fā)這些材料將極其昂貴。

設(shè)有氮空位(NV)中心的金剛石能探測磁場變化，因此成為生物傳感技術(shù)的強(qiáng)大工具并用于醫(yī)學(xué)檢測和疾病診斷。例如，腦磁圖(MEG)是一種用于描繪大腦活動(dòng)并且追蹤諸如癩病組織等病理異常的神經(jīng)影像技術(shù)。

不過，這些生物傳感技術(shù)需要誘導(dǎo)NV中心電荷轉(zhuǎn)換的光激化。由于不帶電的NV中心無法準(zhǔn)確探測磁場，因此引入電荷轉(zhuǎn)換一直是金剛石利用面臨的挑戰(zhàn)。只有負(fù)電荷能被用于此類傳感應(yīng)用，因此實(shí)現(xiàn)NV中心的穩(wěn)定化對于整個(gè)操作來說非常重要。

2 金剛石量子技術(shù)的基礎(chǔ)理

金剛石中的”氮空位中心”(NVcenters)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，攜帶周圍磁場和電場的量子信息，可以用于生物傳感、目標(biāo)探測和其他傳感應(yīng)用。但是，傳統(tǒng)的基于NV的量子傳感器有餐桌那么大，還匹配了昂貴的分立元器件，限制了其實(shí)用性和可擴(kuò)展性。

合肥工業(yè)大學(xué)電物理學(xué)院在金剛石NV色心量子調(diào)控技術(shù)上完成了多比特強(qiáng)耦合量子寄存儲(chǔ)器的制備，以及NV色心電子自旋態(tài)Wigner.函數(shù)表征。

據(jù)了解，金剛石MV色心是目前量子信息領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)方向，它是金剛石中由氮原子(N)和鄰近的空穴(V)組成的一個(gè)分子缺陷結(jié)構(gòu)，結(jié)合附近的核自旋可以組成一個(gè)可在常溫下控制的量子寄存器。由于金剛石NV色心尺寸在納米以下，且具有高旋磁比等特點(diǎn)，目前被廣泛應(yīng)用于單分子核磁共振、微觀電磁場成像和細(xì)胞成像等研究中。目前針對金剛石NV色心電子自旋的量子態(tài)制備和控制可以很好實(shí)現(xiàn)，但其附近單個(gè)強(qiáng)耦合核自旋的量子態(tài)制備保真度只有不到77%，嚴(yán)重限制了其作為量子寄存器的應(yīng)用效率。

在多比特強(qiáng)耦合電量子寄存器的制備中，研究人員通過研究，發(fā)現(xiàn)了制備過程的低效率來源激光引起的NV色心的離子化，于是將調(diào)制激光技術(shù)引入該制備過程，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)合仿真計(jì)算證明了該技術(shù)能夠大大縮小色心離子化的概率。

在NV色心自旋態(tài)的Wigner函數(shù)表征研究中，該實(shí)驗(yàn)室完成了NV色心電子自旋的量子態(tài)Wigner函數(shù)重構(gòu)工作。隨著量子比特?cái)?shù)的增加，傳統(tǒng)的量子態(tài)評估方法即密度矩陣重構(gòu)在實(shí)踐中變得困難。另一方面用于描述連續(xù)自由度的量子系統(tǒng)的Wigner函數(shù)方法具有不依賴于量子比特?cái)?shù)的優(yōu)點(diǎn)。

最近很多研究小組嘗試將Wigner函數(shù)方法推廣到有限維希爾伯特空間的量子系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了基于Wigner函數(shù)的金剛石NV色心單個(gè)電子自旋量子的重構(gòu)。實(shí)驗(yàn)中重構(gòu)的Wigner函數(shù)包含了與密度矩陣完全相同的信息，可以描述近乎純粹的退相干過程中的單個(gè)量子比特的量子態(tài)演化。

3 國外研究概述

3.1 金剛石量子器件的應(yīng)用

美國麻省理工學(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。

傳統(tǒng)的基于NV的量子傳感器有餐桌那么大，還匹配了昂貴的分立元器件，限制了其實(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、光濾波器和光探測器等都集成至尺寸只有毫米大小的包裝中，值得注意的是該傳感光器、能夠在室溫下工作，具有感應(yīng)磁場方向和強(qiáng)度的能力。

這種傳感器可用于磁力測量，這意味著能夠測量由于周圍磁場引起的原子尺度的頻率變化，而周圍磁場可能會(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)境中探測物體等[3]。

3.2 單晶體人造鉆石創(chuàng)室溫量子比特存儲(chǔ)時(shí)間新紀(jì)錄

美國哈佛大學(xué)和加州工學(xué)院以及德國馬普光量子研究所利用元素六公司的單晶人造鉆石創(chuàng)下了室溫量子比特存儲(chǔ)時(shí)間超過1秒鐘的新紀(jì)錄。這是人類首次實(shí)現(xiàn)用一種材料在常溫下將量子比特存儲(chǔ)如此長的時(shí)間，哈佛大學(xué)物理學(xué)教授梅爾.魯金稱贊說，是一項(xiàng)令人興奮的成果，代表著量子信息處理的最新發(fā)展，這項(xiàng)新發(fā)現(xiàn)有望幫助人們開發(fā)新的量子通信和技術(shù)，在近期則有助于研發(fā)新的量子傳感器。

在量子力學(xué)研究中，一秒鐘絕對稱得上是很長的一段時(shí)間，而如果一種材料能做到捕捉、并較長時(shí)間地穩(wěn)定存儲(chǔ)住繼而轉(zhuǎn)發(fā)信息，也就意味著擴(kuò)大了量子網(wǎng)產(chǎn)生作用的區(qū)域。能夠在常溫下操作量子比特孔就顯得格外珍貴[4]。

3.3 元素六推出首款商用量子金剛石[5]

2020年2月16日，戴比爾斯集團(tuán)子公司——元素六宣布將推出首款商用化學(xué)氣相沉積法量子級金剛石DMV-BItm。

DNVtm是元素六新DNV系列的第一種解決方案，對那些研究氮空位(NV)系統(tǒng)(用于量子演示、脈射器、射頻幅射探測、陀螺儀、傳感)的人來說，是一種理想的初始材料。

金剛石NV(DNV)中心為研究人員提供了具有自旋量子位元的獨(dú)特固態(tài)平臺(tái)。該平臺(tái)可以在室溫下初始化并讀出具有較長的量子位元壽命。這些特性源于金剛石獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和強(qiáng)鍵。

首席科學(xué)家馬修·馬卡姆說，通過化學(xué)氣相沉積法合成金剛石意料味著，首先，可以控制和重復(fù)地在金剛石合成過程中加入氮。然后，經(jīng)過幅照和退火，合成出含有均勻和可重復(fù)的NV自旋中心濃度的金剛石，其自旋壽命為1微秒。

2015年，首次成功地實(shí)現(xiàn)了沒有漏洞的貝爾的不平等測試，首次證明了“遠(yuǎn)程驚悚行動(dòng)”是真實(shí)的，這也標(biāo)志著量子安全網(wǎng)絡(luò)的重大技術(shù)進(jìn)步。

2019年，洛克西德·馬丁公司暗冰項(xiàng)目頁交付了一款DNV馬尼驅(qū)的磁強(qiáng)計(jì)，該磁強(qiáng)計(jì)可以測量幾乎無法察覺的磁場異常的方向和強(qiáng)度，為GPS無法實(shí)現(xiàn)的導(dǎo)航應(yīng)用提供了基于金剛石的量子設(shè)備。

3.4 鉆石可能存儲(chǔ)海量數(shù)量[6]

近幾十年來，人們一直用與天然鉆石硬度相差無幾的人造鉆石制造工業(yè)鉆頭、 鋸條以及醫(yī)療植入物的外膜等。但科學(xué)家近日發(fā)現(xiàn)，如果在鉆石上人為地制造出一些縫隙，或許能讓它們在量子計(jì)算機(jī)中也發(fā)揮用武之地?？茖W(xué)家稱，鉆石上的縫可以存儲(chǔ)信息，就像CD和DVD光盤上的微型“小坑”一樣。

有一部分鉆石的晶體結(jié)構(gòu)中缺欠了一些碳原子，從而空穴周圍聚集了一些白原子，因此這些缺陷稱作氦空穴色心。這些空穴中通常儲(chǔ)存著電子，因此使鉆石帶上電荷。不過研究人員可以通過向鉆石發(fā)送激光，將其轉(zhuǎn)化為中性。這一研究說明，鉆石可以以負(fù)電荷和中性電荷的形式存儲(chǔ)數(shù)據(jù)流，然后由激光完成讀取、寫入、抹除和重新寫入等任務(wù)。

紐約市學(xué)院物理學(xué)家希德哈斯·多姆卡爾指出，每字節(jié)數(shù)據(jù)在鉆石上僅需占據(jù)幾納米的空間，比現(xiàn)有的任何數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備都小得多，因此有助于我們研發(fā)超密計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)技術(shù)。如果引入第三維度，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)能力將大大提高。我們或許能創(chuàng)造出一種新型數(shù)據(jù)存儲(chǔ)光盤，存儲(chǔ)空間可以達(dá)普通DVD光盤的100倍。

4 國內(nèi)研發(fā)概況

4.1 用金剛石建成世界首臺(tái)量子計(jì)算機(jī)[7]

參考消息網(wǎng)摘俄羅斯衛(wèi)星網(wǎng)稱，以杜教授為首的中國科技大學(xué)研究小組，用金剛石建成世界上首臺(tái)量子計(jì)量機(jī)。該計(jì)算機(jī)能夠在不到一秒的時(shí)間內(nèi)提取獲得被編碼的信息，而普通的計(jì)算機(jī)要完成這一工作則需要幾年甚至十幾年的時(shí)間。

杜教授建立的新系統(tǒng)，可以使用相應(yīng)方式退出體系結(jié)構(gòu)。比起普通二進(jìn)制計(jì)算機(jī)，這個(gè)系統(tǒng)使得能夠進(jìn)行更大量的計(jì)算，這一工作的主要目的是使量子計(jì)算機(jī)能夠用于商業(yè)。

4.2 首次實(shí)現(xiàn)高靈敏的金剛石傳感器[8]

中國科大杜江峰院士等提出并通過實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了一種以金剛石氮一空穴(NV)建色心單自旋為量子傳感器(簡稱金剛石量子傳感器)的電探測方法，并首次實(shí)現(xiàn)了金剛石近表面電學(xué)噪聲信息的提取，為金剛量子傳感器在電探測方向的應(yīng)用提供了新的途徑。

利用這種新的探測方法，研究發(fā)現(xiàn)了金剛石上表面電噪聲，距離金剛石表面約10納米深的內(nèi)部的電噪聲也不可忽略。通過建立模型和定量的實(shí)驗(yàn)研究這兩處電噪聲，發(fā)現(xiàn)它們之間存在顯著的相關(guān)性。

新方法對磁噪聲呈現(xiàn)高度的抑制作用，因?yàn)榭杀挥糜诮饎偸砻婕冸娫肼曅畔⒌奶崛?，還有助于更準(zhǔn)確分析表面噪聲的性質(zhì)和來源，從而進(jìn)行針對性的消除。

4.3 金剛石單自旋體系在量子信息領(lǐng)域

科研人員在金剛石NV色心量子模擬器上，精確調(diào)控三維手性拓?fù)浣^緣體在動(dòng)量空間中的哈密頓量，利用量子態(tài)的動(dòng)力學(xué)演化來表征哈密頓量，從而實(shí)現(xiàn)拓?fù)湮锵嗟膭?dòng)力學(xué)表征。實(shí)驗(yàn)結(jié)果不僅進(jìn)一步支持了理論在向高維拓?fù)潴w系拓展的適用性，也觀察到了對稱性對拓?fù)湎嗟谋Ｗo(hù)、拓?fù)鋱D像、以及衍生拓?fù)滢D(zhuǎn)變等一系列物理現(xiàn)象，加深了動(dòng)力學(xué)拓?fù)湮锵嘌芯康睦斫?，為更廣泛的拓?fù)湮锵嗟难芯看蛳铝嘶A(chǔ)。

實(shí)驗(yàn)中使用的金剛石固態(tài)單自旋體系因其在室溫下易初始化、操控和讀出，在實(shí)現(xiàn)固態(tài)量子計(jì)算、量子模擬和量子精密測量等研究中具有很好的應(yīng)用前景。未來通過進(jìn)一步發(fā)展和提升金剛石單自旋樣品的性能、調(diào)控技術(shù)和單次讀出探測技術(shù)等，有望推進(jìn)金剛石單自旋體系在量子信息領(lǐng)域產(chǎn)生更廣泛的應(yīng)用[9]。

4.4 在金剛石量子模擬研究領(lǐng)域取得新進(jìn)展

中科大微觀磁共振實(shí)驗(yàn)室杜江峰、王亞等與北京大學(xué)劉雄軍等合作，在金剛石為氮空位——(NV)色心體系的量子模擬實(shí)驗(yàn)研究方面取得新進(jìn)展。他們利用量子淬火動(dòng)力學(xué)在實(shí)驗(yàn)上模擬了凝聚態(tài)體系中尚未觀測到的三維拓?fù)浣^緣體，并第一次對體內(nèi)和表面的拓?fù)湮锢磉M(jìn)行了全面研究[10]。

凝聚態(tài)體系中拓?fù)湮锵嗟陌l(fā)現(xiàn)革新了對量子物質(zhì)基本相的認(rèn)識(shí),相關(guān)研究成為凝聚態(tài)物理的主流研究方向。拓?fù)洳牧系幕咎匦允窃隗w內(nèi)具有非平凡拓?fù)?，邊界則出現(xiàn)和體拓?fù)湎鄬?yīng)的邊界態(tài)。在過去的十多年里，人們在尋找新奇拓?fù)湮镔|(zhì)方面取得了大量突破，發(fā)現(xiàn)了諸多新的拓?fù)湎啵缌孔踊魻栃?yīng)、對稱保護(hù)的拓?fù)浣^緣體、拓?fù)浒虢饘?、拓?fù)涑瑢?dǎo)體等。

最近，北京大學(xué)劉雄軍提出了平衡態(tài)拓?fù)湮锵嗟膭?dòng)力學(xué)表征理論[11]。

隨后，中科大院士杜江峰利用金剛石氮——空位缺陷自旋體首先在二維拓?fù)潴w系上實(shí)驗(yàn)觀測到了該動(dòng)力學(xué)體系一邊對應(yīng)關(guān)系[12]。

5 結(jié)語

(1)從上述實(shí)例我們初步領(lǐng)略到，探索具有劃時(shí)代意義的金剛石量子技術(shù)航船已經(jīng)起航，并正在征程的路上。

(2)為什么量子科技這么火，如此重要？竟然驚動(dòng)全球科學(xué)家，甚至國家領(lǐng)導(dǎo)人！其原因是首先要明白一個(gè)基礎(chǔ)而重要的問題，那就是什么是量子？什么是量子科技？

(3)金剛石在現(xiàn)已知材料中是唯一集光電熱聲磁于一體優(yōu)秀的材料，這樣的獨(dú)特性能優(yōu)勢是由其先天性的內(nèi)因所決定的，是其它材料無法比擬的。

(4)金剛石量子科技的發(fā)展，在新型材料發(fā)展中是毋庸置疑是大有用武之地的。量子科技的蓬勃發(fā)展，對我們超硬人是機(jī)遇，也是挑戰(zhàn)。超硬人應(yīng)該發(fā)揚(yáng)敢為人先、敢于擔(dān)當(dāng)?shù)墓?jiān)克難精神，積極參與其中開發(fā)量子金剛石新的應(yīng)用領(lǐng)地。