中國(guó)粉體網(wǎng)訊 近日，量子計(jì)算公司IonQ與合成金剛石龍頭Element Six聯(lián)合宣布，在量子級(jí)金剛石薄膜制備方面取得重大突破。這一成果不僅是量子計(jì)算和量子網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的重要進(jìn)展，也讓金剛石材料在未來半導(dǎo)體和新型器件應(yīng)用中展現(xiàn)出更廣闊的前景。
此次研發(fā)的高質(zhì)量量子級(jí)金剛石薄膜，最大的亮點(diǎn)在于能夠通過標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體制造工藝進(jìn)行加工。過去，量子器件對(duì)材料要求極高，對(duì)生產(chǎn)微米和納米結(jié)構(gòu)器件嚴(yán)格的材料要求將制造限制在定制制造上，難以規(guī)模化生產(chǎn)。如今，借助Element Six的先進(jìn)材料和IonQ的工藝突破，金剛石薄膜可以與硅、氮化硅等襯底結(jié)合，使得金剛石器件能夠與傳統(tǒng)光電器件、電子控制層集成，形成混合型芯片系統(tǒng)。金剛石量子器件首次具備了走向產(chǎn)業(yè)化的條件。
金剛石在量子中的應(yīng)用
從微觀層面來看，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”，也就是我們所說的缺陷。
氮空位（NV）色心，是金剛石結(jié)構(gòu)里氮原子取代碳原子后，與鄰近空位共同構(gòu)成的一種缺陷。而金剛石之所以能在量子領(lǐng)域發(fā)揮重要作用，核心就在于其內(nèi)部的氮空位（NV）中心，這類中心不僅能在室溫環(huán)境下維持量子態(tài)的穩(wěn)定，還具備與光發(fā)生相互作用的特性，使得金剛石成為一種理想的物理平臺(tái)，用于發(fā)展高性能的量子傳感器和量子計(jì)算組件。
金剛石NV色心的物理結(jié)構(gòu)示意圖
量子計(jì)算：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。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。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。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。
關(guān)于IonQ和Element Six
IonQ是一家領(lǐng)先的商業(yè)量子計(jì)算、量子網(wǎng)絡(luò)公司，提供旨在解決世界上最復(fù)雜問題的高性能系統(tǒng)。該公司正在加快其技術(shù)路線圖，并計(jì)劃到2030年提供世界上最強(qiáng)大的量子計(jì)算機(jī)，以加速藥物發(fā)現(xiàn)、材料科學(xué)、金融建模、物流、網(wǎng)絡(luò)安全和國(guó)防領(lǐng)域的創(chuàng)新。IonQ在量子網(wǎng)絡(luò)方面的進(jìn)步也使其成為構(gòu)建量子互聯(lián)網(wǎng)的領(lǐng)導(dǎo)者。
Element Six隸屬于戴比爾斯集團(tuán)，是設(shè)計(jì)、開發(fā)和生產(chǎn)合成金剛石先進(jìn)材料的全球領(lǐng)導(dǎo)者。公司在全球范圍內(nèi)開展業(yè)務(wù)，主要制造工廠在美國(guó)、英國(guó)、愛爾蘭、德國(guó)和南非。Element Six利用人造金剛石的極端特性，在光子學(xué)、聲學(xué)、電力傳輸、水處理、熱管理和傳感器等領(lǐng)域開辟新的可能性。其先進(jìn)材料解決方案廣泛應(yīng)用于多個(gè)行業(yè)，包括汽車與消費(fèi)電子制造、石油天然氣鉆探與切削、以及采礦、道路、建筑和農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域的關(guān)鍵部件。
參考來源：
1.IonQ、Element Six官網(wǎng)
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
3.中國(guó)粉體網(wǎng)：缺陷成就“完美”？金剛石的量子世界
（中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/石語）
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