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]。
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。
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。
金刚石磁力测量仪原型
ICECUBE装载OSCAR-QUBE
金刚石的量子未来
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
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