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，量子計算機和電場/磁場感應(yīng)[1]。量子應(yīng)用使用量子物理學頂尖的領(lǐng)域來執(zhí)行操作，在經(jīng)典物理學系統(tǒng)中這些操作是不可能實現(xiàn)的。金剛石量子技術(shù)為21世紀的兩個關(guān)鍵問題提供了潛在的解決方案，這就是生物醫(yī)學和持續(xù)增長的信息經(jīng)濟。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]。

科學家可通過改變化學成分操控人造金剛石的性質(zhì)。這種化學操作被稱為摻雜。事實證明這種”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)的強大工具并用于醫(yī)學檢測和疾病診斷。例如，腦磁圖(MEG)是一種用于描繪大腦活動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NV中心電荷轉(zhuǎn)換的光激化。由于不帶電的NV中心無法準確探測磁場，因此引入電荷轉(zhuǎn)換一直是金剛石利用面臨的挑戰(zhàn)。只有負電荷能被用于此類傳感應(yīng)用，因此實現(xiàn)NV中心的穩(wěn)定化對于整個操作來說非常重要。

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，限制了其實用性和可擴展性。

合肥工業(yè)大學電物理學院在金剛石NV色心量子調(diào)控技術(shù)上完成了多比特強耦合量子寄存儲器的制備，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)組成的一個分子缺陷結(jié)構(gòu)，結(jié)合附近的核自旋可以組成一個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，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現(xiàn)，但其附近單個強耦合核自旋的量子態(tài)制備保真度只有不到77%，嚴重限制了其作為量子寄存器的應(yīng)用效率。

在多比特強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，實驗驗證結(jié)合仿真計算證明了該技術(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，該實驗室完成了NV色心電子自旋的量子態(tài)Wigner函數(shù)重構(gòu)工作。隨著量子比特數(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數(shù)的優(yōu)點。

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)。實驗實現(xiàn)了基于Wigner函數(shù)的金剛石NV色心單個電子自旋量子的重構(gòu)。實驗中重構(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，從而能夠為低成本、可擴展的量子計算、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，限制了其實用性和可擴展性。

不過，MIT的研究人員找到一種方法，利用傳統(tǒng)的半導體制造技術(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，而周圍磁場可能會包含有關(guān)周圍環(huán)境的信息。經(jīng)過進一步完善，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)室溫量子比特存儲時間新紀錄

美國哈佛大學和加州工學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時間超過1秒鐘的新紀錄。這是人類首次實現(xiàn)用一種材料在常溫下將量子比特存儲如此長的時間，哈佛大學物理學教授梅爾.魯金稱贊說，是一項令人興奮的成果，代表著量子信息處理的最新發(fā)展，這項新發(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。

在量子力學研究中，一秒鐘絕對稱得上是很長的一段時間，而如果一種材料能做到捕捉、并較長時間地穩(wěn)定存儲住繼而轉(zhuǎn)發(fā)信息，也就意味著擴大了量子網(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，戴比爾斯集團子公司——元素六宣布將推出首款商用化學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特固態(tài)平臺。該平臺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特的結(jié)構(gòu)和強鍵。

首席科學家馬修·馬卡姆說，通過化學氣相沉積法合成金剛石意料味著，首先，可以控制和重復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，首次成功地實現(xiàn)了沒有漏洞的貝爾的不平等測試，首次證明了“遠程驚悚行動”是真實的，這也標志著量子安全網(wǎng)絡(luò)的重大技術(shù)進步。

2019年，洛克西德·馬丁公司暗冰項目頁交付了一款DNV馬尼驅(qū)的磁強計，該磁強計可以測量幾乎無法察覺的磁場異常的方向和強度，為GPS無法實現(xiàn)的導航應(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算機中也發(fā)揮用武之地?？茖W家稱，鉆石上的縫可以存儲信息，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，鉆石可以以負電荷和中性電荷的形式存儲數(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)。

紐約市學院物理學家希德哈斯·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)存儲設(shè)備都小得多，因此有助于我們研發(fā)超密計算機存儲技術(shù)。如果引入第三維度，數(shù)據(jù)存儲能力將大大提高。我們或許能創(chuàng)造出一種新型數(shù)據(jù)存儲光盤，存儲空間可以達普通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量子計算機[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研究小組，用金剛石建成世界上首臺量子計量機。該計算機能夠在不到一秒的時間內(nèi)提取獲得被編碼的信息，而普通的計算機要完成這一工作則需要幾年甚至十幾年的時間。

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)。比起普通二進制計算機，這個系統(tǒng)使得能夠進行更大量的計算，這一工作的主要目的是使量子計算機能夠用于商業(yè)。

4.2 首次實現(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驗實現(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，并首次實現(xiàn)了金剛石近表面電學噪聲信息的提取，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驗研究這兩處電噪聲，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，因為可被用于金剛石近表面純電噪聲信息的提取，還有助于更準確分析表面噪聲的性質(zhì)和來源，從而進行針對性的消除。

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)控三維手性拓撲絕緣體在動量空間中的哈密頓量，利用量子態(tài)的動力學演化來表征哈密頓量，從而實現(xiàn)拓撲物相的動力學表征。實驗結(jié)果不僅進一步支持了理論在向高維拓撲體系拓展的適用性，也觀察到了對稱性對拓撲相的保護、拓撲圖像、以及衍生拓撲轉(zhuǎn)變等一系列物理現(xiàn)象，加深了動力學拓撲物相研究的理解，為更廣泛的拓撲物相的研究打下了基礎(chǔ)。

實驗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，在實現(xiàn)固態(tài)量子計算、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)域取得新進展

中科大微觀磁共振實驗室杜江峰、王亞等與北京大學劉雄軍等合作，在金剛石為氮空位——(NV)色心體系的量子模擬實驗研究方面取得新進展。他們利用量子淬火動力學在實驗上模擬了凝聚態(tài)體系中尚未觀測到的三維拓撲絕緣體，并第一次對體內(nèi)和表面的拓撲物理進行了全面研究[10]。

凝聚態(tài)體系中拓撲物相的發(fā)現(xiàn)革新了對量子物質(zhì)基本相的認識,相關(guān)研究成為凝聚態(tài)物理的主流研究方向。拓撲材料的基本特性是在體內(nèi)具有非平凡拓撲，邊界則出現(xiàn)和體拓撲相對應(yīng)的邊界態(tài)。在過去的十多年里，人們在尋找新奇拓撲物質(zhì)方面取得了大量突破，發(fā)現(xiàn)了諸多新的拓撲相，如量子霍爾效應(yīng)、對稱保護的拓撲絕緣體、拓撲半金屬、拓撲超導體等。

最近，北京大學劉雄軍提出了平衡態(tài)拓撲物相的動力學表征理論[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撲體系上實驗觀測到了該動力學體系一邊對應(yīng)關(guān)系[12]。

5 結(jié)語

(1)從上述實例我們初步領(lǐng)略到，探索具有劃時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？竟然驚動全球科學家，甚至國家領(lǐng)導人！其原因是首先要明白一個基礎(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，對我們超硬人是機遇，也是挑戰(zhàn)。超硬人應(yīng)該發(fā)揚敢為人先、敢于擔當?shù)墓钥穗y精神，積極參與其中開發(fā)量子金剛石新的應(yīng)用領(lǐng)地。