发展中的金刚石量子技术

王光祖，黄祥芬，卫凤午，吕华伟，王鹏辉

(1.郑州磨料磨具磨削研究所,河南 郑州 450001；2.郑州人造金刚石及制品工程技术中心有限公司，河南 郑州 450001)

1 引言

人造金刚石最近成为一系列基于量子技术应用的备选材料，包括：安全量子通信，量子计算机和电场/磁场感应[1]。量子应用使用量子物理学顶尖的领域来执行操作，在经典物理学系统中这些操作是不可能实现的。金刚石量子技术为21世纪的两个关键问题提供了潜在的解决方案，这就是生物医学和持续增长的信息经济。金刚石有能力缺陷变成量子资源，这种缺陷是特定的，即氮空位缺陷(NV)，其独特的性质使其量子态可以在室温下使用光束来操纵和读出。在基于量子的应用中，人造金刚石充当杂质或缺陷的主体，像固态原子陷阱一样起作用。这些杂质的量子特性，例如氮空位缺陷，可以单独操作并使其相互作用，并且从这些杂质发出的光的光子可以用于读出它们的量子信息[2]。

科学家可通过改变化学成分操控人造金刚石的性质。这种化学操作被称为掺杂。事实证明这种”掺杂”金刚石正成为从量子信息到生物传感的一系列技术的廉价替代材料。否则，开发这些材料将极其昂贵。

设有氮空位(NV)中心的金刚石能探测磁场变化，因此成为生物传感技术的强大工具并用于医学检测和疾病诊断。例如，脑磁图(MEG)是一种用于描绘大脑活动并且追踪诸如癞病组织等病理异常的神经影像技术。

不过，这些生物传感技术需要诱导NV中心电荷转换的光激化。由于不带电的NV中心无法准确探测磁场，因此引入电荷转换一直是金刚石利用面临的挑战。只有负电荷能被用于此类传感应用，因此实现NV中心的稳定化对于整个操作来说非常重要。

2 金刚石量子技术的基础理

金刚石中的”氮空位中心”(NVcenters)是一种电子缺陷，能够被光和微波控制。但是，此种缺陷会发出彩色光子，携带周围磁场和电场的量子信息，可以用于生物传感、目标探测和其他传感应用。但是，传统的基于NV的量子传感器有餐桌那么大，还匹配了昂贵的分立元器件，限制了其实用性和可扩展性。

合肥工业大学电物理学院在金刚石NV色心量子调控技术上完成了多比特强耦合量子寄存储器的制备，以及NV色心电子自旋态Wigner.函数表征。

据了解，金刚石MV色心是目前量子信息领域研究的热点方向，它是金刚石中由氮原子(N)和邻近的空穴(V)组成的一个分子缺陷结构，结合附近的核自旋可以组成一个可在常温下控制的量子寄存器。由于金刚石NV色心尺寸在纳米以下，且具有高旋磁比等特点，目前被广泛应用于单分子核磁共振、微观电磁场成像和细胞成像等研究中。目前针对金刚石NV色心电子自旋的量子态制备和控制可以很好实现，但其附近单个强耦合核自旋的量子态制备保真度只有不到77%，严重限制了其作为量子寄存器的应用效率。

在多比特强耦合电量子寄存器的制备中，研究人员通过研究，发现了制备过程的低效率来源激光引起的NV色心的离子化，于是将调制激光技术引入该制备过程，实验验证结合仿真计算证明了该技术能够大大缩小色心离子化的概率。

在NV色心自旋态的Wigner函数表征研究中，该实验室完成了NV色心电子自旋的量子态Wigner函数重构工作。随着量子比特数的增加，传统的量子态评估方法即密度矩阵重构在实践中变得困难。另一方面用于描述连续自由度的量子系统的Wigner函数方法具有不依赖于量子比特数的优点。

最近很多研究小组尝试将Wigner函数方法推广到有限维希尔伯特空间的量子系统。实验实现了基于Wigner函数的金刚石NV色心单个电子自旋量子的重构。实验中重构的Wigner函数包含了与密度矩阵完全相同的信息，可以描述近乎纯粹的退相干过程中的单个量子比特的量子态演化。

3 国外研究概述

3.1 金刚石量子器件的应用

美国麻省理工学院(MIT)的研究人员首次在硅芯片上打造了一种基于金刚石的量子传感器，从而能够为低成本、可扩展的量子计算、传感和通信硬件铺平道路。

传统的基于NV的量子传感器有餐桌那么大，还匹配了昂贵的分立元器件，限制了其实用性和可扩展性。

不过，MIT的研究人员找到一种方法，利用传统的半导体制造技术，将所有体积庞大的组件，包括微波发生器、光滤波器和光探测器等都集成至尺寸只有毫米大小的包装中，值得注意的是该传感光器、能够在室温下工作，具有感应磁场方向和强度的能力。

这种传感器可用于磁力测量，这意味着能够测量由于周围磁场引起的原子尺度的频率变化，而周围磁场可能会包含有关周围环境的信息。经过进一步完善，该传感器还可用于其他领域，如绘制大脑中的电脉冲图，在漆黑的环境中探测物体等[3]。

3.2 单晶体人造钻石创室温量子比特存储时间新纪录

美国哈佛大学和加州工学院以及德国马普光量子研究所利用元素六公司的单晶人造钻石创下了室温量子比特存储时间超过1秒钟的新纪录。这是人类首次实现用一种材料在常温下将量子比特存储如此长的时间，哈佛大学物理学教授梅尔.鲁金称赞说，是一项令人兴奋的成果，代表着量子信息处理的最新发展，这项新发现有望帮助人们开发新的量子通信和技术，在近期则有助于研发新的量子传感器。

在量子力学研究中，一秒钟绝对称得上是很长的一段时间，而如果一种材料能做到捕捉、并较长时间地稳定存储住继而转发信息，也就意味着扩大了量子网产生作用的区域。能够在常温下操作量子比特孔就显得格外珍贵[4]。

3.3 元素六推出首款商用量子金刚石[5]

2020年2月16日，戴比尔斯集团子公司——元素六宣布将推出首款商用化学气相沉积法量子级金刚石DMV-BItm。

DNVtm是元素六新DNV系列的第一种解决方案，对那些研究氮空位(NV)系统(用于量子演示、脉射器、射频幅射探测、陀螺仪、传感)的人来说，是一种理想的初始材料。

金刚石NV(DNV)中心为研究人员提供了具有自旋量子位元的独特固态平台。该平台可以在室温下初始化并读出具有较长的量子位元寿命。这些特性源于金刚石独特的结构和强键。

首席科学家马修·马卡姆说，通过化学气相沉积法合成金刚石意料味着，首先，可以控制和重复地在金刚石合成过程中加入氮。然后，经过幅照和退火，合成出含有均匀和可重复的NV自旋中心浓度的金刚石，其自旋寿命为1微秒。

2015年，首次成功地实现了没有漏洞的贝尔的不平等测试，首次证明了“远程惊悚行动”是真实的，这也标志着量子安全网络的重大技术进步。

2019年，洛克西德·马丁公司暗冰项目页交付了一款DNV马尼驱的磁强计，该磁强计可以测量几乎无法察觉的磁场异常的方向和强度，为GPS无法实现的导航应用提供了基于金刚石的量子设备。

3.4 钻石可能存储海量数量[6]

近几十年来，人们一直用与天然钻石硬度相差无几的人造钻石制造工业钻头、 锯条以及医疗植入物的外膜等。但科学家近日发现，如果在钻石上人为地制造出一些缝隙，或许能让它们在量子计算机中也发挥用武之地。科学家称，钻石上的缝可以存储信息，就像CD和DVD光盘上的微型“小坑”一样。

有一部分钻石的晶体结构中缺欠了一些碳原子，从而空穴周围聚集了一些白原子，因此这些缺陷称作氦空穴色心。这些空穴中通常储存着电子，因此使钻石带上电荷。不过研究人员可以通过向钻石发送激光，将其转化为中性。这一研究说明，钻石可以以负电荷和中性电荷的形式存储数据流，然后由激光完成读取、写入、抹除和重新写入等任务。

纽约市学院物理学家希德哈斯·多姆卡尔指出，每字节数据在钻石上仅需占据几纳米的空间，比现有的任何数据存储设备都小得多，因此有助于我们研发超密计算机存储技术。如果引入第三维度，数据存储能力将大大提高。我们或许能创造出一种新型数据存储光盘，存储空间可以达普通DVD光盘的100倍。

4 国内研发概况

4.1 用金刚石建成世界首台量子计算机[7]

参考消息网摘俄罗斯卫星网称，以杜教授为首的中国科技大学研究小组，用金刚石建成世界上首台量子计量机。该计算机能够在不到一秒的时间内提取获得被编码的信息，而普通的计算机要完成这一工作则需要几年甚至十几年的时间。

杜教授建立的新系统，可以使用相应方式退出体系结构。比起普通二进制计算机，这个系统使得能够进行更大量的计算，这一工作的主要目的是使量子计算机能够用于商业。

4.2 首次实现高灵敏的金刚石传感器[8]

中国科大杜江峰院士等提出并通过实验实现了一种以金刚石氮一空穴(NV)建色心单自旋为量子传感器(简称金刚石量子传感器)的电探测方法，并首次实现了金刚石近表面电学噪声信息的提取，为金刚量子传感器在电探测方向的应用提供了新的途径。

利用这种新的探测方法，研究发现了金刚石上表面电噪声，距离金刚石表面约10纳米深的内部的电噪声也不可忽略。通过建立模型和定量的实验研究这两处电噪声，发现它们之间存在显著的相关性。

新方法对磁噪声呈现高度的抑制作用，因为可被用于金刚石近表面纯电噪声信息的提取，还有助于更准确分析表面噪声的性质和来源，从而进行针对性的消除。

4.3 金刚石单自旋体系在量子信息领域

科研人员在金刚石NV色心量子模拟器上，精确调控三维手性拓扑绝缘体在动量空间中的哈密顿量，利用量子态的动力学演化来表征哈密顿量，从而实现拓扑物相的动力学表征。实验结果不仅进一步支持了理论在向高维拓扑体系拓展的适用性，也观察到了对称性对拓扑相的保护、拓扑图像、以及衍生拓扑转变等一系列物理现象，加深了动力学拓扑物相研究的理解，为更广泛的拓扑物相的研究打下了基础。

实验中使用的金刚石固态单自旋体系因其在室温下易初始化、操控和读出，在实现固态量子计算、量子模拟和量子精密测量等研究中具有很好的应用前景。未来通过进一步发展和提升金刚石单自旋样品的性能、调控技术和单次读出探测技术等，有望推进金刚石单自旋体系在量子信息领域产生更广泛的应用[9]。

4.4 在金刚石量子模拟研究领域取得新进展

中科大微观磁共振实验室杜江峰、王亚等与北京大学刘雄军等合作，在金刚石为氮空位——(NV)色心体系的量子模拟实验研究方面取得新进展。他们利用量子淬火动力学在实验上模拟了凝聚态体系中尚未观测到的三维拓扑绝缘体，并第一次对体内和表面的拓扑物理进行了全面研究[10]。

凝聚态体系中拓扑物相的发现革新了对量子物质基本相的认识,相关研究成为凝聚态物理的主流研究方向。拓扑材料的基本特性是在体内具有非平凡拓扑，边界则出现和体拓扑相对应的边界态。在过去的十多年里，人们在寻找新奇拓扑物质方面取得了大量突破，发现了诸多新的拓扑相，如量子霍尔效应、对称保护的拓扑绝缘体、拓扑半金属、拓扑超导体等。

最近，北京大学刘雄军提出了平衡态拓扑物相的动力学表征理论[11]。

随后，中科大院士杜江峰利用金刚石氮——空位缺陷自旋体首先在二维拓扑体系上实验观测到了该动力学体系一边对应关系[12]。

5 结语

(1)从上述实例我们初步领略到，探索具有划时代意义的金刚石量子技术航船已经起航，并正在征程的路上。

(2)为什么量子科技这么火，如此重要？竟然惊动全球科学家，甚至国家领导人！其原因是首先要明白一个基础而重要的问题，那就是什么是量子？什么是量子科技？

(3)金刚石在现已知材料中是唯一集光电热声磁于一体优秀的材料，这样的独特性能优势是由其先天性的内因所决定的，是其它材料无法比拟的。

(4)金刚石量子科技的发展，在新型材料发展中是毋庸置疑是大有用武之地的。量子科技的蓬勃发展，对我们超硬人是机遇，也是挑战。超硬人应该发扬敢为人先、敢于担当的攻坚克难精神，积极参与其中开发量子金刚石新的应用领地。