據(jù)麥姆斯咨詢介紹，量子態(tài)的獨(dú)特性能為開發(fā)測(cè)量磁場(chǎng)、溫度和電場(chǎng)等變量的高靈敏傳感器提供了巨大潛力。不過，至今該技術(shù)的應(yīng)用仍存在局限性，因?yàn)榱孔討B(tài)（量子比特）需要被孤立和冷卻以優(yōu)化測(cè)量，這對(duì)工程人員提出了控制挑戰(zhàn)。金剛石憑借其獨(dú)特的性質(zhì)，或能解決其中的部分挑戰(zhàn)。

Element Six（元素六，E6）公司首席技術(shù)專家Daniel Twitchen稱，該公司開發(fā)的化學(xué)氣相沉積（CVD）金剛石生長(zhǎng)工藝，為金剛石在量子領(lǐng)域的應(yīng)用鋪平了道路。

E6是戴比爾斯（De Beers）旗下企業(yè)，于2020年6月開始供應(yīng)一種通用量子級(jí)CVD金剛石。這種特殊的金剛石被稱為DNV-B1，它可作為研究氮空位（NV）系統(tǒng)的一種合適的起始材料，可用于量子演示、脈射器、射頻輻射探測(cè)、陀螺儀、傳感以及從無GPS導(dǎo)航到醫(yī)療成像等其它新興應(yīng)用。

Twitchen表示：“金剛石是一種非凡的特殊材料，具有多種特性，可廣泛應(yīng)用于智能手機(jī)加工、汽車制造用高功率激光器以及高端音響系統(tǒng)等領(lǐng)域。現(xiàn)在，得益于技術(shù)的不斷進(jìn)步，工程級(jí)量子位合成金剛石材料正在為下一代量子磁傳感器鋪平道路?！?/p>

金剛石技術(shù)

量子力學(xué)的進(jìn)步推動(dòng)了激光和晶體管等領(lǐng)域的創(chuàng)新。量子技術(shù)的下一波浪潮將源于對(duì)量子疊加和糾纏等特性的操縱。

然而，極端“脆弱”的量子態(tài)帶來了很多挑戰(zhàn)。需要掌控其“脆弱性”以控制錯(cuò)誤的發(fā)生并實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確測(cè)量，充分利用這一令人興奮的技術(shù)。理想情況下，需要量子態(tài)與其周圍環(huán)境隔離，但是，測(cè)量往往需要和外部環(huán)境存在一定程度的相互作用。

對(duì)于這些新的應(yīng)用，業(yè)界正在研究各種不同的技術(shù)解決方案，例如俘獲離子、超導(dǎo)體、量子點(diǎn)、光子和半導(dǎo)體缺陷等。俘獲離子很難整合，而超導(dǎo)電路只能在超低溫下工作。Twitchen指出，固態(tài)的金剛石很容易集成，解決了一些量子難題，并且它還具有生物相容性，可以提供高空間分辨率的磁成像。此外，它還可以在室溫或體溫下使用，因此不需要大型冷卻設(shè)備。

Twitchen說：“科學(xué)家和工程師們已經(jīng)解決了許多挑戰(zhàn)，使這些量子自旋能夠有效地用于原子級(jí)磁羅盤，測(cè)量比地球磁場(chǎng)低1000倍以上的磁場(chǎng)，空間分辨率接近納米級(jí)。從神經(jīng)元放電到心臟的跳動(dòng)，幾乎所有要測(cè)量的生物系統(tǒng)都與電信號(hào)有關(guān)。這些電信號(hào)都有對(duì)應(yīng)的磁場(chǎng)，并且，它們不會(huì)被身體里的水分和皮膚屏蔽。基于這一生物學(xué)前提，金剛石的生物相容性為其在制藥和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域開辟了從藥物開發(fā)到早期疾病診斷的新應(yīng)用?！?/p>

Twitchen繼續(xù)說：“現(xiàn)在，制造超高純度合成金剛石的能力，解鎖了使其成為固態(tài)量子位完美宿主材料的潛力。最初在斯圖加特大學(xué)和哈佛大學(xué)進(jìn)行的一系列開創(chuàng)性學(xué)術(shù)研究表明，金剛石NV色心具有的量子自旋，可以在室溫下使用簡(jiǎn)單、低成本的光學(xué)技術(shù)進(jìn)行操縱和讀出，從而產(chǎn)生特殊的量子特性?！?/p>

NV具有對(duì)磁場(chǎng)高度敏感的電子自旋，這構(gòu)成了高靈敏磁力測(cè)量的基礎(chǔ)。通過對(duì)材料開啟綠色LED并測(cè)量發(fā)出的紅色熒光強(qiáng)度，可以檢測(cè)并對(duì)準(zhǔn)電子自旋。Twitchen說：“已經(jīng)證明，NV電子自旋可以在室溫下儲(chǔ)存超過1 s的量子信息?！?/p>

Quantum Diamond Technologies（QDTI）公司是一家從哈佛大學(xué)獨(dú)立出來的初創(chuàng)公司，致力于為需要在早期對(duì)蛋白質(zhì)進(jìn)行超靈敏檢測(cè)的疾病（如心臟病、癌癥和阿爾茨海默氏癥）提供即時(shí)診斷。QDTI正在開發(fā)金剛石量子系統(tǒng)，利用NV中心支持生物分子檢測(cè)的新方法。

醫(yī)療應(yīng)用

目前，許多醫(yī)學(xué)成像解決方案，例如用于磁共振成像（MRI）的超導(dǎo)磁體，都需要低溫冷卻系統(tǒng)，因而一般只有在大型醫(yī)院或研究機(jī)構(gòu)才可以應(yīng)用。

Twitchen說，“金剛石磁力計(jì)通常利用大量NV中心來提高磁靈敏度，提供更高的空間分辨率，并且，這些都可以在室溫下進(jìn)行。憑借金剛石的尺寸減小和生物相容性，使傳感器能夠更靠近或接觸生物樣本（例如患者的皮膚）。這些獨(dú)特的特性使其理想的適用于很多現(xiàn)代醫(yī)療診斷技術(shù)，例如心磁圖（MCG），它測(cè)量的是心臟中電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)。

心臟病已成為全球人類死亡的重要誘因之一。因此，低成本、快速響應(yīng)的金剛石量子磁力計(jì)可以幫助醫(yī)療專業(yè)人員更快、更準(zhǔn)確地檢測(cè)心臟病，加快診斷速度，減少患者入院時(shí)間?！?/p>

由于生物樣品具有低磁性，免疫分析也可以用磁性標(biāo)志物代替熒光標(biāo)志物進(jìn)行測(cè)量。含有NV中心的金剛石可以通過這種方法提供卓越的磁成像。QDTI已通過寬場(chǎng)金剛石NV磁顯微鏡在大約1平方毫米的視場(chǎng)上證明了單細(xì)胞分辨率，成像時(shí)間為1分鐘，用于定位磁標(biāo)記細(xì)胞。Twitchen說：“這使得能夠在小型系統(tǒng)中更快的以高靈敏度分離和計(jì)數(shù)關(guān)鍵的生物標(biāo)志物。”

Twitchen強(qiáng)調(diào)，“用戶的主要興趣不在于技術(shù)本身，而在于它的易用性，以及它使我們的日常生活變得更容易、更美好。其目的是釋放金剛石量子傳感器的潛力，使其應(yīng)用簡(jiǎn)單、可靠。金剛石傳感器與現(xiàn)有相關(guān)技術(shù)的光激勵(lì)、控制電路以及讀出電路的高效、穩(wěn)健集成還需要進(jìn)一步開發(fā)。

金剛石工程師面臨的一個(gè)主要挑戰(zhàn)是將他們的解決方案集成到現(xiàn)有的支持技術(shù)中。技術(shù)革命通常要求用戶行為的改變，往往需要足夠顯著的優(yōu)勢(shì)才能推動(dòng)這種改變。令人興奮的是，在討論的所有潛在應(yīng)用中，這些概念已經(jīng)從一個(gè)個(gè)想法迅速轉(zhuǎn)變?yōu)樵彤a(chǎn)品，使終端用戶可以對(duì)其進(jìn)行探索和測(cè)試?！?/p>

Twitchen指出，現(xiàn)在有很多初創(chuàng)公司在利用金剛石處理量子效應(yīng)，包括NVision、Qnami、QZabre、QDM.IO和QDTI等。

器件開發(fā)的另一個(gè)障礙是，要充分利用NV缺陷所需要的學(xué)習(xí)曲線，需要材料、激光、微波和量子領(lǐng)域的全面專業(yè)知識(shí)。最終的挑戰(zhàn)是通過優(yōu)化制造和工藝，使其最終量產(chǎn)進(jìn)入最實(shí)際的應(yīng)用市場(chǎng)。

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