中國(guó)粉體網(wǎng)訊 在珠寶的璀璨世界里，金剛石向來(lái)是眾人矚目的焦點(diǎn)，它以無(wú)與倫比的硬度、令人炫目的折射光芒，成為了永恒愛(ài)情與奢華尊貴的象征。
金剛石不僅在寶石領(lǐng)域占據(jù)重要地位，更是現(xiàn)代科技不可或缺的材料之一。在電子、光學(xué)、聲學(xué)、熱學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域，金剛石都展現(xiàn)出了卓越的性能和廣泛的應(yīng)用前景。
然而，在微觀世界里，科學(xué)家們卻發(fā)現(xiàn)，正是金剛石中的“缺陷”，為它開(kāi)啟了通往量子領(lǐng)域的大門，賦予了它超越傳統(tǒng)認(rèn)知的全新價(jià)值，讓我們不禁思考：缺陷究竟如何成就完美？這顆小小的晶體，又是如何在量子世界中大放異彩的呢？
缺陷奧秘，金剛石的“不完美”密碼
從微觀層面來(lái)看，金剛石是由碳原子按照特定的晶格結(jié)構(gòu)排列而成的晶體。在理想狀態(tài)下，每個(gè)碳原子都與周圍的四個(gè)碳原子通過(guò)共價(jià)鍵緊密相連，形成規(guī)整的四面體結(jié)構(gòu)，這種高度有序的排列賦予了金剛石卓越的硬度和穩(wěn)定性。然而，在實(shí)際情況中，由于各種因素的影響，晶格中難免會(huì)出現(xiàn)一些“小插曲”，也就是我們所說(shuō)的缺陷。
金剛石NV色心
所謂色心，是指晶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)被破壞后形成的晶體缺陷，NV色心是金剛石多種色心中的一種。
金剛石NV色心是金剛石中一個(gè)碳原子被一個(gè)氮原子取代，在鄰近處產(chǎn)生了一個(gè)空位，空位周圍是三個(gè)懸空鍵的碳原子，這是一種具有C3v對(duì)稱結(jié)構(gòu)的點(diǎn)缺陷。在金剛石NV色心的物理結(jié)構(gòu)圖中，綠色球體代表的是碳原子，黃色球體代表的是替位氮原子，紫色球體代表的是空位的位置。金剛石NV色心正是因?yàn)檫@種結(jié)構(gòu)，才能在常規(guī)測(cè)試條件下能保持優(yōu)良的量子特性。
金剛石NV色心的物理結(jié)構(gòu)示意圖
NV0和NV-
金剛石NV色心在室溫條件下主要以NV0和NV-兩種不同帶電狀態(tài)存在。前者是指它的電荷態(tài)為中性，含有五個(gè)電子，其中有三個(gè)來(lái)源于碳原子，兩個(gè)來(lái)源于氮原子；后者是指呈負(fù)電荷態(tài)，含有六個(gè)電子，通常由NV0捕獲一個(gè)電子后形成的。
一般情況下，這兩種電荷態(tài)均同時(shí)存在金剛石NV色心中，特定條件下，可以完成兩種電荷態(tài)的相互轉(zhuǎn)化。目前，NV-態(tài)色心被廣泛研究，在量子應(yīng)用中具有重要地位。
量子特性：缺陷催生的神奇力量
金剛石NV中心可被看作是自旋S=1的電子自旋，其基態(tài)是自旋三重態(tài)，可作為自旋量子計(jì)算和量子傳感的工作能級(jí)。
NV中心自旋量子態(tài)的初始化和讀出都是通過(guò)自旋依賴的光學(xué)躍遷過(guò)程實(shí)現(xiàn)的。在激光輻照下，ms=0的自旋狀態(tài)會(huì)被激發(fā)到激發(fā)態(tài)并輻射熒光光子返回基態(tài)，故ms=0被看作“亮態(tài)”；而ms=±1的自旋狀態(tài)在激發(fā)后有更大的概率通過(guò)自旋單態(tài)路徑回到的狀態(tài)，對(duì)應(yīng)過(guò)程輻射偏少，故ms=±1態(tài)被看作“暗態(tài)”。
金剛石氮空位中心自旋量子傳感工作原理 (a)自旋能級(jí)結(jié)構(gòu)和光學(xué)躍遷；
(b)外場(chǎng)對(duì)金剛石氮空位中心基態(tài)能級(jí)的影響(從上至下: 壓強(qiáng)、溫度、磁場(chǎng))
因此，通過(guò)測(cè)量熒光強(qiáng)度就可以判斷NV中心自旋狀態(tài)。基于同樣的過(guò)程，幾微秒的連續(xù)激光極化即可將NV自旋抽運(yùn)到ms=0的狀態(tài)上，實(shí)現(xiàn)高保真度的自旋態(tài)初始化。除了極化和讀出自旋狀態(tài)，還需要將自旋制備到特定的量子態(tài)（如疊加態(tài)）上，一般可通過(guò)射頻微波脈沖來(lái)實(shí)現(xiàn)。施加脈沖的頻率對(duì)準(zhǔn)自旋進(jìn)動(dòng)頻率，通過(guò)控制脈沖長(zhǎng)度、幅度和相位參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)自旋量子傳感器任意量子態(tài)的制備。
金剛石中的單個(gè)氮-空位色心示意圖（展示了各類激光、微波、射頻等調(diào)控手段）
圖源：Beating the standard quantum limit under ambient conditions with solid-state spins
前沿應(yīng)用：量子世界的 “金剛石之光”
伴隨著量子力學(xué)的發(fā)展和對(duì)量子糾纏本質(zhì)的探索，尤其過(guò)去幾十年來(lái)在單個(gè)量子系統(tǒng)（如單電子、原子、分子或光子）的測(cè)量和操控方面取得了巨大的技術(shù)進(jìn)步，一系列以量子信息處理為主的新興量子技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。
通常來(lái)講，量子信息處理新興量子技術(shù)主要分為三大類：量子計(jì)算、量子傳感以及量子通信。
量子計(jì)算
基于其“0”態(tài)與“1”態(tài)的讀出和操控特點(diǎn)，金剛石NV色心可作為一種量子比特的理想載體，同時(shí)該種自旋量子比特在室溫下就有極長(zhǎng)的相干時(shí)間，而且用光學(xué)方法和射頻微波脈沖就可以實(shí)現(xiàn)極高效率的量子操控，這使得量子金剛石是實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算的杰出候選。
為了實(shí)現(xiàn)基本的量子信息協(xié)議，需要?jiǎng)?chuàng)建多部糾纏態(tài)，這意味著需要使用幾個(gè)耦合的量子位，且它們可以被連貫地單獨(dú)操縱。而這些所需條件可以通過(guò)在金剛石晶格中使用NV中心電子自旋和鄰近核自旋之間的超精細(xì)相互作用來(lái)實(shí)現(xiàn)。該方法在過(guò)去幾年被用于實(shí)現(xiàn)基于核自旋的量子寄存器，室溫下單自旋之間的多部糾纏以及單個(gè)核自旋的單次讀出測(cè)量，展現(xiàn)出金剛石量子計(jì)算走向?qū)嶋H應(yīng)用的巨大潛力。
金剛石量子計(jì)算教學(xué)機(jī) 圖源：國(guó)儀量子
量子傳感
基于激光和微波實(shí)現(xiàn)的NV色心電子自旋量子態(tài)操控和探測(cè)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)磁場(chǎng)、溫度、電場(chǎng)、應(yīng)力等物理量的精密測(cè)量。依據(jù)傳感單元的尺寸和傳感方式，基于金剛石NV色心的傳感系統(tǒng)可以分為共聚焦光路、寬場(chǎng)成像、光纖體系等。
目前，在很多科學(xué)領(lǐng)域都取得了豐富的研究成果。在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，可以通過(guò)光纖量子探針辨別磁性物質(zhì)，可以對(duì)細(xì)胞的溫度進(jìn)行測(cè)量，也可以檢測(cè)生物醫(yī)藥領(lǐng)域的磁性納米顆粒的濃度；在材料科學(xué)領(lǐng)域，可作為磁強(qiáng)計(jì)或是磁場(chǎng)梯度計(jì)實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)的測(cè)量，同時(shí)也可以測(cè)量芯片表面溫度分布，還可以利用該體系進(jìn)行電路診斷以及磁性材料的無(wú)損檢測(cè)等。
左：錐形光纖探針（紅色晶體為金剛石顆粒）；右：NV-光子晶體傳感器
量子通信
金剛石NV中心穩(wěn)定的自旋狀態(tài)與光、微波相互作用特性，使其成為量子通信中理想的量子比特載體。科學(xué)家們利用金剛石制備量子中繼器，能夠有效延長(zhǎng)量子通信的傳輸距離，克服信號(hào)衰減等難題，為構(gòu)建全球量子通信網(wǎng)絡(luò)提供關(guān)鍵支撐。
量子中繼器的工作原理是將編碼在光子上的信息傳輸?shù)焦潭ǖ拇鎯?chǔ)量子位上，信息可以在其中存儲(chǔ)和校正。缺陷量子位，如金剛石NV色心是此操作的良好候選者，因?yàn)樗哂信c光（其顏色的來(lái)源）的有效界面，并且因?yàn)樽蛹梢栽L問(wèn)長(zhǎng)壽的“自旋”記憶。這種自旋可以通過(guò)將量子位放置在磁場(chǎng)中來(lái)訪問(wèn)該自旋存儲(chǔ)器，當(dāng)光從色心反射回來(lái)時(shí)，它可以翻轉(zhuǎn)這個(gè)自旋量子位，在所謂的自旋光子界面中，使光和自旋記憶之間的信息傳輸成為可能。
為了遠(yuǎn)距離傳輸量子信息，需要量子中繼器來(lái)遠(yuǎn)距離分布糾纏
圖源：哈拉爾德·里奇/因斯布魯克大學(xué)
結(jié)語(yǔ)
展望未來(lái)，金剛石在量子領(lǐng)域的應(yīng)用潛力依然巨大。隨著材料制備技術(shù)、微納加工技術(shù)以及量子調(diào)控技術(shù)的不斷進(jìn)步，我們有望看到更加集成化、小型化、高性能的金剛石量子器件。
缺陷與完美之間并非對(duì)立，而是相輔相成、相互轉(zhuǎn)化。這顆曾經(jīng)以璀璨外表征服世界的寶石，如今正憑借其內(nèi)在的量子“魔力”，開(kāi)啟一個(gè)全新的科技時(shí)代。
參考來(lái)源：
1.元素六官網(wǎng)、中國(guó)粉體網(wǎng)、網(wǎng)絡(luò)公開(kāi)信息等
2.陳諾誠(chéng). 基于金剛石NV色心的微弱微波場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)研究.南京郵電大學(xué)
3.劉剛欽. 極端條件下的金剛石自旋量子傳感.物理學(xué)報(bào)
4.劉勇等. 基于金剛石氮-空位色心的光纖量子傳感.激光與光電子學(xué)進(jìn)展
5.劉曉兵等. 金剛石結(jié)構(gòu)與功能研究綜述.曲阜師范大學(xué)學(xué)報(bào)
6.盧亞男. 金剛石中多核自旋的量子操控和應(yīng)用.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)
（中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/輕言）
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