中國粉體網訊 在珠寶的璀璨世界里，金剛石向來是眾人矚目的焦點，它以無與倫比的硬度、令人炫目的折射光芒，成為了永恒愛情與奢華尊貴的象征。
金剛石不僅在寶石領域占據重要地位，更是現代科技不可或缺的材料之一。在電子、光學、聲學、熱學等多個領域，金剛石都展現出了卓越的性能和廣泛的應用前景。
然而，在微觀世界里，科學家們卻發現，正是金剛石中的“缺陷”，為它開啟了通往量子領域的大門，賦予了它超越傳統認知的全新價值，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
從微觀層面來看，金剛石是由碳原子按照特定的晶格結構排列而成的晶體。在理想狀態下，每個碳原子都與周圍的四個碳原子通過共價鍵緊密相連，形成規整的四面體結構，這種高度有序的排列賦予了金剛石卓越的硬度和穩定性。然而，在實際情況中，由于各種因素的影響，晶格中難免會出現一些“小插曲”，也就是我們所說的缺陷。
金剛石NV色心
所謂色心，是指晶體內部結構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碳原子被一個氮原子取代，在鄰近處產生了一個空位，空位周圍是三個懸空鍵的碳原子，這是一種具有C3v對稱結構的點缺陷。在金剛石NV色心的物理結構圖中，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色心正是因為這種結構，才能在常規測試條件下能保持優良的量子特性。
金剛石NV色心的物理結構示意圖
NV0和NV-
金剛石NV色心在室溫條件下主要以NV0和NV-兩種不同帶電狀態存在。前者是指它的電荷態為中性，含有五個電子，其中有三個來源于碳原子，兩個來源于氮原子；后者是指呈負電荷態，含有六個電子，通常由NV0捕獲一個電子后形成的。
一般情況下，這兩種電荷態均同時存在金剛石NV色心中，特定條件下，可以完成兩種電荷態的相互轉化。目前，NV-態色心被廣泛研究，在量子應用中具有重要地位。
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，其基態是自旋三重態，可作為自旋量子計算和量子傳感的工作能級。
NV中心自旋量子態的初始化和讀出都是通過自旋依賴的光學躍遷過程實現的。在激光輻照下，ms=0的自旋狀態會被激發到激發態并輻射熒光光子返回基態，故ms=0被看作“亮態”；而ms=±1的自旋狀態在激發后有更大的概率通過自旋單態路徑回到的狀態，對應過程輻射偏少，故ms=±1態被看作“暗態”。
金剛石氮空位中心自旋量子傳感工作原理 (a)自旋能級結構和光學躍遷；
(b)外場對金剛石氮空位中心基態能級的影響(從上至下: 壓強、溫度、磁場)
因此，通過測量熒光強度就可以判斷NV中心自旋狀態。基于同樣的過程，幾微秒的連續激光極化即可將NV自旋抽運到ms=0的狀態上，實現高保真度的自旋態初始化。除了極化和讀出自旋狀態，還需要將自旋制備到特定的量子態（如疊加態）上，一般可通過射頻微波脈沖來實現。施加脈沖的頻率對準自旋進動頻率，通過控制脈沖長度、幅度和相位參數，可以實現自旋量子傳感器任意量子態的制備。
金剛石中的單個氮-空位色心示意圖（展示了各類激光、微波、射頻等調控手段）
圖源：Beating the standard quantum limit under ambient conditions with solid-state spins
前沿應用：量子世界的 “金剛石之光”
伴隨著量子力學的發展和對量子糾纏本質的探索，尤其過去幾十年來在單個量子系統（如單電子、原子、分子或光子）的測量和操控方面取得了巨大的技術進步，一系列以量子信息處理為主的新興量子技術應運而生。
通常來講，量子信息處理新興量子技術主要分為三大類：量子計算、量子傳感以及量子通信。
量子計算
基于其“0”態與“1”態的讀出和操控特點，金剛石NV色心可作為一種量子比特的理想載體，同時該種自旋量子比特在室溫下就有極長的相干時間，而且用光學方法和射頻微波脈沖就可以實現極高效率的量子操控，這使得量子金剛石是實現量子計算的杰出候選。
為了實現基本的量子信息協議，需要創建多部糾纏態，這意味著需要使用幾個耦合的量子位，且它們可以被連貫地單獨操縱。而這些所需條件可以通過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相互作用來實現。該方法在過去幾年被用于實現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核自旋的單次讀出測量，展現出金剛石量子計算走向實際應用的巨大潛力。
金剛石量子計算教學機 圖源：國儀量子
量子傳感
基于激光和微波實現的NV色心電子自旋量子態操控和探測，可以實現對磁場、溫度、電場、應力等物理量的精密測量。依據傳感單元的尺寸和傳感方式，基于金剛石NV色心的傳感系統可以分為共聚焦光路、寬場成像、光纖體系等。
目前，在很多科學領域都取得了豐富的研究成果。在生物醫學領域，可以通過光纖量子探針辨別磁性物質，可以對細胞的溫度進行測量，也可以檢測生物醫藥領域的磁性納米顆粒的濃度；在材料科學領域，可作為磁強計或是磁場梯度計實現磁場的測量，同時也可以測量芯片表面溫度分布，還可以利用該體系進行電路診斷以及磁性材料的無損檢測等。
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中心穩定的自旋狀態與光、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。科學家們利用金剛石制備量子中繼器，能夠有效延長量子通信的傳輸距離，克服信號衰減等難題，為構建全球量子通信網絡提供關鍵支撐。
量子中繼器的工作原理是將編碼在光子上的信息傳輸到固定的存儲量子位上，信息可以在其中存儲和校正。缺陷量子位，如金剛石NV色心是此操作的良好候選者，因為它具有與光（其顏色的來源）的有效界面，并且因為子集可以訪問長壽的“自旋”記憶。這種自旋可以通過將量子位放置在磁場中來訪問該自旋存儲器，當光從色心反射回來時，它可以翻轉這個自旋量子位，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。
為了遠距離傳輸量子信息，需要量子中繼器來遠距離分布糾纏
圖源：哈拉爾德·里奇/因斯布魯克大學
結語
展望未來，金剛石在量子領域的應用潛力依然巨大。隨著材料制備技術、微納加工技術以及量子調控技術的不斷進步，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立，而是相輔相成、相互轉化。這顆曾經以璀璨外表征服世界的寶石，如今正憑借其內在的量子“魔力”，開啟一個全新的科技時代。
參考來源：
1.元素六官網、中國粉體網、網絡公開信息等
2.陳諾誠. 基于金剛石NV色心的微弱微波場測量系統研究.南京郵電大學
3.劉剛欽. 極端條件下的金剛石自旋量子傳感.物理學報
4.劉勇等. 基于金剛石氮-空位色心的光纖量子傳感.激光與光電子學進展
5.劉曉兵等. 金剛石結構與功能研究綜述.曲阜師范大學學報
6.盧亞男. 金剛石中多核自旋的量子操控和應用.中國科學院大學
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