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        發(fā)展中的金剛石量子技術(shù)

        2021-04-10 16:08:56王光祖黃祥芬衛(wèi)鳳午呂華偉王鵬輝
        超硬材料工程 2021年3期
        關(guān)鍵詞:色心金剛石鉆石

        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(chǎng)/磁場(chǎng)感應(yīng)[1]。量子應(yīng)用使用量子物理學(xué)頂尖的領(lǐng)域來(lái)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(wèn)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(zhǎng)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(lái)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(guò)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(kāi)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(cè)磁場(chǎng)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(cè)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(guò),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(wú)法準(zhǔn)確探測(cè)磁場(chǎng),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(lèi)傳感應(yīng)用,因此實(shí)現(xiàn)NV中心的穩(wěn)定化對(duì)于整個(gè)操作來(lái)說(shuō)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?chē)艌?chǎng)和電場(chǎng)的量子信息,可以用于生物傳感、目標(biāo)探測(cè)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(chǎng)成像和細(xì)胞成像等研究中。目前針對(duì)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(guò)研究,發(fā)現(xiàn)了制備過(guò)程的低效率來(lái)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(guò)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(píng)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(guò)程中的單個(gè)量子比特的量子態(tài)演化。

        3 國(guó)外研究概述

        3.1 金剛石量子器件的應(yīng)用

        美國(guó)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(guò),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(cè)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(chǎng)方向和強(qiáng)度的能力。

        這種傳感器可用于磁力測(cè)量,這意味著能夠測(cè)量由于周?chē)艌?chǎng)引起的原子尺度的頻率變化,而周?chē)艌?chǎng)可能會(huì)包含有關(guān)周?chē)h(huán)境的信息。經(jīng)過(guò)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(cè)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(guó)哈佛大學(xué)和加州工學(xué)院以及德國(guó)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(guò)1秒鐘的新紀(jì)錄。這是人類(lèi)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(zhǎng)的時(shí)間,哈佛大學(xué)物理學(xué)教授梅爾.魯金稱贊說(shuō),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(kāi)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(duì)稱得上是很長(zhǎng)的一段時(shí)間,而如果一種材料能做到捕捉、并較長(zhǎng)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(jí)金剛石DMV-BItm。

        DNVtm是元素六新DNV系列的第一種解決方案,對(duì)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(cè)、陀螺儀、傳感)的人來(lái)說(shuō),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(zhǎng)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(shuō),通過(guò)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(guò)程中加入氮。然后,經(jīng)過(guò)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(méi)有漏洞的貝爾的不平等測(cè)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(yè)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(cè)量幾乎無(wú)法察覺(jué)的磁場(chǎng)異常的方向和強(qiáng)度,為GPS無(wú)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(lái),人們一直用與天然鉆石硬度相差無(wú)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?cè)诹孔佑?jì)算機(jī)中也發(fā)揮用武之地。科學(xué)家稱,鉆石上的縫可以存儲(chǔ)信息,就像CD和DVD光盤(pán)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?chē)奂艘恍┌自?,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(guò)研究人員可以通過(guò)向鉆石發(fā)送激光,將其轉(zhuǎn)化為中性。這一研究說(shuō)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(xiě)入、抹除和重新寫(xiě)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(pán),存儲(chǔ)空間可以達(dá)普通DVD光盤(pán)的100倍。

        4 國(guó)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(guó)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(guó)科大杜江峰院士等提出并通過(guò)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(jiǎn)稱金剛石量子傳感器)的電探測(cè)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(cè)方向的應(yīng)用提供了新的途徑。

        利用這種新的探測(cè)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(guò)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(duì)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(lái)源,從而進(jìn)行針對(duì)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(lái)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(duì)稱性對(duì)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)湮锵嘌芯康睦斫猓瑸楦鼜V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(cè)量等研究中具有很好的應(yīng)用前景。未來(lái)通過(guò)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(cè)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(cè)到的三維拓?fù)浣^緣體,并第一次對(duì)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(duì)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?duì)應(yīng)的邊界態(tài)。在過(guò)去的十多年里,人們?cè)趯ふ倚缕嫱負(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?,如量子霍爾效?yīng)、對(duì)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(cè)到了該動(dòng)力學(xué)體系一邊對(duì)應(yīng)關(guān)系[12]。

        5 結(jié)語(yǔ)

        (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(guó)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(wèn)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(shì)是由其先天性的內(nèi)因所決定的,是其它材料無(wú)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(duì)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(kāi)發(fā)量子金剛石新的應(yīng)用領(lǐng)地。

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