金刚石量子设备简单，由绿色光源、金刚石、小型微波源和光电探测器就可组成基本装置。其初始化和氮空位自旋读出简单，不需要专门的窄线宽激光器，甚至用绿色LED灯都可以。此外，由于可以检测到光的波长（637—800 nm），还可用低成本的硅光电探测器读出。简单的演示装置的价格只有几千英镑，但是要实现性能的最大优化，还需要进行大量的工程设计。

    研究基础物理和量子计算对金刚石缺陷要求极其严格，每个缺陷要相同，以相同的波长发光。然而，应力会改变光的波长，使两个氮空位缺陷产生差异。虽然可通过在缺陷附近施加电场的“斯塔克调谐”来使得发射波长一致，然而在测量过程中，氮空位周围的局部电荷结构仍然会发生变化，导致波长偏移。尽管如此，还是取得了一些突破性的成果，如2015 年的“无漏洞贝尔不等式检验”。最近还报道了一个可储存高达75 s 量子信息的10量子比特金刚石缺陷寄存器。

    荷兰代尔夫特理工大学Ronald Hanson 团队正在研究使用金刚石中的氮空位缺陷作量子网络的“量子中继节点”。这是长距离量子通信的必须设备。

    另一应用是微波激射器。微波激射器具有高增益、低噪声等特点，被广泛应用于射电天文和深空通信领域。由于在短时间内非常稳定，还可作为振荡器应用于全球定位系统。目前的微波激射器系统体积有些庞大，结构复杂，甚至还要求低温，要求金刚石处于高Q 腔中，外加磁场稳定均匀，金刚石的温度波动极小。这些工程上的困难都需要解决。

    金刚石磁场传感器在很多方面优于其他技术。就矢量传感器来说，四个不同的氮空位轴向可以用来重建一个矢量场，有巨大的带宽，对几个量级的磁场很敏感，而且不需要特殊的磁屏蔽。由于NV缺陷的特性，容易测量到单个NV的强电子偶极发光，从而可以在纳米尺度上测量磁场。虽然其竞争对手磁共振磁力仪同样可做到这点，但它们本身的磁性会扰乱待测量系统。许多研究组正在用基于氮空位的工具进行材料表征。位于瑞士的Qnami 公司已在销售氮空位缺陷金刚石探测仪。

    利用NV 缺陷可提高设备灵敏度，但却降低了空间分辨率。作为折衷，在高纯度金刚石表面镀上几微米高含氮空位缺陷的金刚石用来对磁场进行成像，氮空位金刚石层的厚度决定了空间分辨率。

    洛克希德马丁公司一直致力于研发金刚石磁力计，它不依赖外部信号。该技术利用金刚石磁力计的矢量能力来探测地球磁场的强度和方向。地球磁场随着人在地表的位置而变化，可以据此来进行定位。虽然没有卫星GPS 精确，但可与现有技术互补。

图2 Lockheed Martin 公司为全球定位系统设计的金刚石磁力计。该系统只有鞋盒大小，还可缩小到冰球大小

    这种传感器还可反向检测射频场。施加一个可控的磁场梯度，产生已知的塞曼能级变化。当施加未知频率的微波信号时，与该频率相对应的位置就会出现磁共振。这种方法可一次测量得到高达几十千兆赫的整个频谱，且分辨率高。该技术用于5G网络，可避免相邻基站间的干扰。

    德国的新兴公司NVision 等正在使用金刚石来增强磁共振成像，将其从解剖学成像转变为类似于正电子发射断层成像(PET)的分子成像。其原理是将电子自旋从氮空位缺陷转移到目标分子的核自旋。核自旋持续时间长，有助于测量。

    金刚石已经成为量子材料应用的宠儿，在世界上有200 多个学术团体致力于其量子应用。研发金刚石量子技术的公司也越来越多。材料是这些技术的核心，但是需要大量工程工作来优化设备。

    设备开发另一个障碍是缺乏有经验的量子物理学家。英国、欧洲和美国等正在抽调量子科学家去提供帮助。最后一个难题是，金刚石量子技术本身的应用市场难以预估。但有一点是肯定的：它是这个时代的大势所趋。

原文链接：《宝石量子革命》

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