3年100万美元，阿贡实验室开发金刚石量子传感技术

想要搞清楚宇宙最小基本单元如何发生相互作用，就必须精准掌握电磁力对物质产生的影响。无论科学家是测量粒子碰撞产生物质碎片的动量，还是追踪磁环内粒子运动的细微变化，都需要了解周围电磁场，以及电磁场随时间、空间发生的变化。即便是极其微小的不确定度，也会限制实验的测量精度。

美国能源部阿贡国家实验室开启一项为期三年、总投入100万美元的新项目，用来解决上述难题。该项目结合实验室两大研究优势：量子信息科学与粒子物理。项目将研发新一代基于金刚石材料的量子传感器。这类传感器有望帮助研究人员以前所未有的精度绘制电磁场，并且可以无缝适配下一代加速器，这对于粒子物理（又称高能物理）实验至关重要。

“我们开展高能物理相关实验，希望找到可以为众多实验所用的技术。” 该项目负责人、阿贡国家实验室物理学家Peter Winter表示，“很多这类实验都需要磁场来实现各类功能，同时往往对磁场测绘有着极高精度要求。”

这项研究的核心是金刚石内部微小缺陷 ——氮‑空位色心（NV色心）。金刚石晶体中，当氮原子紧邻碳原子空位，就会形成该缺陷。它就如同一个被束缚的微型磁体，具备不同的能级；其能级会随磁场、电场发生偏移。研究人员利用激光与微波读取它的信号，使传感器能够实现极高灵敏度的电磁场测量。

阿贡国家实验室使用专用工具，从大块材料上切割剥离金刚石薄膜

阿贡国家实验室及其合作机构多年来一直在深耕金刚石NV色心技术。如今研究人员对该技术进行改造，适配高能物理实验的需求。

“这套技术平台具备良好的集成性，我们第一次可以真正把这类量子传感器植入现有的微电子系统当中。” 项目联合负责人、阿贡科学家Nazar Delegan说道，“从工程与科研角度看，这套方案拥有很宽的适配灵活性。”

这种灵活性十分关键，因为不同高能物理实验的需求各不相同。部分实验设备需要在强辐射环境下工作；一部分对测量精度有着极高要求；还有一部分留给仪器设备的安装空间十分有限。

项目研究团队将设定多项目标：研制超高精度NV量子传感器原型、大面积磁场测绘系统；同时为面向快速变化电磁场环境的传感器阵列打下技术基础。

首要任务是针对高能物理实验需求定制金刚石材料。之后科学家会在实验室环境与实际工况下完成传感器测试，包括强磁场、高辐射环境。最后阶段将开发可用于实地实验的原型产品，能够集成到未来各类实验装置之中。

该项目充分体现交叉学科研究的价值。过去，量子信息科学与粒子物理的研究大多各自独立推进。如今，原本为量子信息领域开发的技术，已经在医学、国家安全等领域得到实际应用。高能物理领域也正不断从这些技术进步中获益。

金刚石基量子传感器本身具备抗辐射特性，非常适合严苛工况；器件体积小巧，可以减少实验所需线缆与配套仪器数量；同时它能够同步测量多种物理量，帮助科学家更加完整地掌握实验工况。

该项目也为学生与青年科研人员提供研究机会。研究横跨量子信息科学、材料科学、工程学、粒子物理多个领域，参与者可以打破传统学科壁垒积累经验，这也是现代科学越来越看重的能力。“让青年科研人员同时深耕两个领域，充当两个学科之间的沟通桥梁，看到他们的成长，这件事本身就很有价值。”Delegan表示。

研究人员最终希望这套技术具备通用性，能够服务多种多样的实验。“我们想要打造一套适配多种工况的平台，实现各类场景下的场分布测绘。”Winter说道。

该项目也是推动这项技术走出基础探索研究、扩大应用范围的第一步。“这是量子技术变革的又一条赛道。”Delegan称，“如今相关技术已经足够成熟，我们可以去思考实际落地应用，未来甚至有机会走向商业化。放在五到十年前，这还近乎科幻，但现在，我们已经找到切实可行的路径，让器件为本领域以及其他科研工作者服务。”

如果项目取得成功，借助金刚石内部微小缺陷的量子特性，科学家将实现更精准的测量，降低实验不确定度，为探索宇宙的本质开辟全新可能性。