微知识 | 金刚石的量子世界

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金刚石因为晶格缺陷而显现迷人的光泽，在珠宝界以钻石之名见证完美的瞬间。但这种坚硬的材料对工业应用也有广泛的影响。研究人员从Element Six引入了一种能解锁众多量子应用的新产品：具有氮空位中心（Nitrogen-Vacuum, NV）的金刚石，以下简称NV金刚石。

在20世纪之初，理论和实验物理学家们致力于理解微观物理世界，以量子力学谱写了新的物理学图景，而无数的技术创新也因此涌现，包括晶体管和激光器。发展至今，Quantum 2.0技术将有赖于对量子态的操控和读取，而且通常要利用量子叠加和量子纠缠效应。

开发量子技术的巨大挑战在于量子态是如此脆弱。虽然理想的量子态要处于受控制的隔离环境中，但我们只有通过相互作用才能使其变得有用。因此，量子科学家必须处理好控制和相互作用之间的微妙平衡。

对于量子计算、模拟、通信和传感等众多量子技术，科学家采取了不同的技术方案，比如捕获离子、超导、量子点、光子和半导体缺陷。每种技术方案各有优劣。捕获离子虽有优异的量子性质但太难集成，而超导电路虽能被制造但要求低温环境。当我们折中考虑时，我们考虑金刚石。作为一种固态量子材料，金刚石既易于设备集成，又能在常温下工作。

量子金刚石

金刚石碳晶格有数百种不同的缺陷，而带负电的氮空位中心缺陷在量子应用中具有重要地位。在重复碳原子的完美金刚石晶格中，去除两个相邻原子，一个用氮原子填补，另一个保持空位，这样就形成了中性的NV缺陷。如果附近晶格缺陷中有更高能量的电子（通常来自没有匹配空位的氮原子），这个电子将转移到NV中心使之带一个负电荷。

具有NV中心缺陷的金刚石碳晶格示意图

1997年，德国开姆尼茨大学Jörg Wrachtrup团队发现，在常温下通过操控单个NV缺陷能提供光输出信号[1]，由此开启了金刚石量子技术领域的发展[2]。

这个过程叫做光学探测磁共振（ODMR）。这是因为NV中心有一种物理性质叫自旋，就像两个小指针。它们都向上时的自旋量子数（ms）为+1，都向下时为-1，而一上一下为0。NV中心受绿光照射时将发射红色荧光，但它们处于0自旋态时比处于±1时会发射更强的荧光。当正确频率的微波场与自旋量子数达到共振时，NV中心的自旋态从0变成+1或-1，因此可观测到变暗的荧光。利用这个特性可读取NV中心的自旋。

在随后的十年中，有一些学术团队希望在量子计算机中用NV金刚石作为量子比特。尽管最初使用的材料是天然金刚石，但这时候也有很多公司开始使用化学气相沉积技术合成高纯单晶金刚石。2006年，人工NV金刚石的量子性质得到了检验。由于合成材料可以量产，因此更多的研究团队用上了这种材料，并开始理解如何控制和使用NV中心。

Element Six生产的缺陷少于1 ppb的金刚石

在这个阶段，很多学术团队主要研究基础量子物理和量子计算。但在2008年，Wrachtrup团队提出并展示了金刚石的磁传感器能力，也就是利用NV中心的光输出亮度和磁场强度相关的性质。

金刚石之所以能容纳优异的量子缺陷的原因在于它的晶体结构。由于宽带隙，金刚石能容纳跃迁能量处于光学范围的各种缺陷，因此直接用激光就能操控这些缺陷。即使在常温条件下，NV中心和周围晶格的振动模式之间的相互作用通常很弱。由于金刚石具有很低的核自旋浓度，因此量子态退相干（也就是自旋不再处于所需状态）的概率低。由于NV缺陷具有微弱的自旋-轨道耦合（电荷自旋与其轨道运动相互作用的相对论效应），这种退相干也是有限的，因此自旋状态能持续更长时间。由于这些性质，在常温下具有毫秒级自旋相干时间的金刚石也是可能实现的。

金刚石设备

金刚石量子设备的优势之一是简单。基本设备只用一个绿光源、金刚石、微波源和光电探测器就能构造成功，而且这些组件都很容易买到，甚至能用于大学物理演示实验中[3]。但设备的性能优化有赖于耗时的工程开发，比如NV缺陷密度和自旋相干时间的平衡。NV缺陷彼此太近会降低相干时间，而太远则更难实现均匀的照明、磁场和微波场，也更难收集荧光。

量子金刚石研究的最初动机是基础量子物理和量子计算机。这对于对NV缺陷有着最严苛的性能要求，因为每个缺陷必须发射完全相同的波长。但由于不完美条件，比如晶体结构错位会使发射波长偏移，导致两个NV缺陷可被区分。虽然在缺陷附近施加电场通过斯塔克调谐能使发射波长相同，但NV周围的局部电荷结构仍可能在测量时变化，从而引起波长偏移。尽管有这些挑战，基于金刚石的量子研究仍取得了很多突破性成果，包括2015年首次成功的无漏洞贝尔不等式检测[4]。2019年，可存储量子信息长达75秒的10量子比特寄存器也见诸报道[5]。

量子金刚石的一个新兴应用是微波激射器（MASER）。MASER比LASER更早问世，在射频天文学和深度太空通讯以及GPS导航有着重要应用。但当前的系统庞大而复杂，还可能要求低温，因此使用很受限制。2018年，世界首个基于NV金刚石的连续波常温固态微波激射器研制成功[6]。这项工作使用和磁场测量相同的能级，但施加大于0.1 T的磁场通过塞曼效应将ms=-1能级推到ms=0能级下方。选择特定的磁场强度可调节能级间隙，因此可选择微波系统的工作频率。通过绿激光泵浦金刚石，使电子进入ms=0能级而产生载流子反转。

金刚石传感

NV金刚石还能用于极其灵敏的磁场传感器。使用一种频率的微波使其NV自旋从0变成+1，使用另一种频率的微波使自旋从0变成-1，然后比较两微波的频率差就能得到磁场强度。

通过两微波频率之差得到磁场强度

对于金刚石磁场传感器，发射光子不必处于特定频率，因此波长从637 nm到800 nm的所有光子都能作为信号。金刚石磁场传感器相比其它传感器技术有很多内在优势。它是一种矢量传感器，NV中心处于四面体晶格中，可从三维测量磁场。由于巨大的带宽，它可测量多个量级的磁场，而且不同于气池等其它技术，它不要求特殊的磁场屏蔽。

根据使用的缺陷数量，NV磁场传感器也有不同的形态。单个缺陷的强电偶极子发光可能很容易测量，因此能用于测量纳米范围的磁场，而且不像磁共振力显微镜等技术一样会干扰系统。很多团队因此使用NV金刚石工具进行材料表征，比如研究包含斯格明子的磁性材料。Qnami ProteusQ™就是最早使用NV金刚石量子技术的商用显微镜。这种便携式设备能在原子尺度分析磁性材料。

使用NV缺陷系综能制作更灵敏的设备，但也会降低空间分辨率。一种方法是使用位于高纯金刚石上的高NV缺陷含量的金刚石对磁场成像，其空间分辨率将由NV金刚石厚度决定。这种技术能测量来自陨石的磁信号，用于建立太阳系形成时期的磁场。加入更多的NV缺陷的块体金刚石样品能将灵敏度提高到皮特斯拉。

洛克希德马丁公司开发了这种金刚石磁场测量仪，可作为无需外部信号的GPS替代技术。它利用金刚石的矢量测量能力探测地球磁场的强度和方向。由于地球表面磁场随位置变化，因此不用外部信号源就能确定所处的位置。初期的原型系统就已证明了这一点，尽管还不如卫星GPS准确，但它们也能与已有技术并行使用。而比利时哈塞尔特大学OSCAR-QUBE团队研制的金刚石磁场测量仪甚至登上了国际空间站，进行为期数月的地球磁场测绘实验。

金刚石磁力测量仪原型

ICECUBE装载OSCAR-QUBE

这种传感器还能反过来用于探测射频。这时要在NV金刚石上施加磁场梯度，以此提供能级已知的塞曼频移。当施加未知频率的微波信号时，磁共振在对应频率上出现。这个方法的巨大优势是一次就能测量大于几十GHz的频谱，而且具有高分辨率。这种技术能用于5G网络中，防止相邻信号塔之间的干扰。

金刚石的量子未来

金刚石如今已是一种重要的量子材料，全球有200多个学术团队研究它的应用，而开发金刚石量子技术的公司也越来越多，包括洛克希德马丁和博世等大公司，以及Quantum Diamond Technologies和Qnami等初创公司。金刚石材料是所有这些技术公司的核心。虽然只有通过耗时的工程努力才能创造出最优的设备，但即使如此，潜在客户已经在测试原型机。

设备开发的另一个障碍是量子物理学家所需的学习曲线，所以很多国家或国际机构都在帮助培养相关人才。我们很难讲哪种金刚石量子技术应用会有最成功的市场。尽管我们也不知道量子金刚石技术的机遇将有大多，但非常明确的是：它们必将在量子应用中占有一席之地。

参考文献：

[1] A. Gruber et al., Scanning Confocal Optical Microscopy and Magnetic Resonance on Single Defect Centers. Science 276, 2012–2014 (1997).

[2] Gibney, E. Quantum physics: Flawed to perfection. Nature 505, 472–474 (2014).

[3] H. Zhang, C. Belvin, W. Li, J. Wang, J. Wainwright, R. Berg, and J. Bridger, Little bits of diamond: Optically detected magnetic resonance of nitrogen-vacancy centers, Am. J. Phys. 86, 225 (2018).

[4] Hensen, B., Bernien, H., Dréau, A. et al. Loophole-free Bell inequality violation using electron spins separated by 1.3 kilometres. Nature 526, 682–686 (2015).

[5] Bradley, C. et al. A ten-qubit solid-state spin register with quantum memory up to one minute. Phys. Rev. 9, 031045 (2019).

[6] Breeze, J., Salvadori, E., Sathian, J. et al. Continuous-wave room-temperature diamond maser. Nature 555, 493–496 (2018).

本文来源：Thorlabs索雷博