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《德国政府资助的SPINNING联盟开发基于金刚石的量子计算技术，可降低错误率》

  • 来源专题：先进材料
  • 编译者： 李丹
  • 发布时间：2024-11-18

  • 转自全球技术地图

    据METAL TECH NEWS 11月13日消息，德国联邦政府量子技术项目资助的SPINNING联盟研究人员利用金刚石的材料特性开发量子计算技术，可以降低错误率以推进基于钻石的量子计算。量子计算的弱点是量子比特的脆弱性，量子领域的比特相当于传统计算机中存储和传输数据的比特，每个比特代表0（关闭）或1（打开）。量子比特既是0又是1，但不能同时处于两种状态。当量子比特穿过宏观世界时，它们的量子态可能会退化或丢失，致使量子计算机数据传输存在较高错误率。SPINNING正在开发基于金刚石自旋光子的量子计算机，将量子比特困在被称为色心的金刚石缺陷中以保护它们，以实现长距离量子比特纠缠。研究人员已成功开发出操作量子计算机所需的电子设备，并展示了量子计算机在人工智能领域的首次应用。

  • 原文来源：https://www.metaltechnews.com/story/2024/11/13/tech-bytes/diamonds-hold-the-key-to-quantum-computing/2030.html
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    • 编译者：魏韧
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    • 斯坦福大学和SLAC国家加速器实验室的一项新研究表明，通过仔细调节热量和压力，可以从原油和天然气中的氢和碳分子中生产金刚石。这种不符合热动力学的方法及成果发表于2020年2月21日的《科学进展》上。 用其他材料合成金刚石已有60多年的历史，但这种转变通常需要消耗大量的能量、时间，添加催化剂（通常是金属）往往会降低最终产品的质量。该研究团队希望找到一个清洁的系统，其中的物质可以在没有催化剂的情况下转变为纯净的金刚石。理解这种转变的机制对于珠宝以外的其他应用非常重要。 金刚石具有极高的硬度、光学透明性、化学稳定性、高导热率，在医学、工业、量子计算技术和生物传感等应用领域极具价值。天然金刚石是由地下数百英里的碳结晶而成，那里的温度高达数千华氏度。到目前为止，大多数天然金刚石都是在数百万年前的火山喷发中被发掘出来的。如果能制造出少量的这种纯金刚石，就能以可控的方式将其掺杂到特定的应用中。 为了合成金刚石，研究小组首先从石油中提炼出三种粉末。利用强大的显微镜观察这种无味、微粘的粉末，区分出像金刚石晶体原子排列的空间模式，好像金刚石晶格被切割成由一个、两个或三个笼子组成的更小的单元。 与纯碳的金刚石不同，这种被称为类金刚石的粉末也含有氢。我们可以更快、更方便地制造金刚石，而且还可以全面地了解这个过程，而不是仅仅是模仿天然金刚石形成的高压高温。 研究人员模拟地球中心的压力，将金刚石挤压成粉末，用激光加热样品，通过一系列测试来检查结果，并运行计算机模型解释转变是如何形成的，试图回答笼子的结构或数量是否会影响类金刚石转化为金刚石的过程。研究发现这种名为triamantane的三笼状菱形结构可以在极低能量的情况下自行重组。在900开尔文（大约是1160华氏度或炽热熔岩的温度）和20亿帕的压力下（十万倍地球大气压），triamantane的碳原子对齐，氢分散或消失。这种转变在极短的时间内进行，而且也是直接的形成，不会转变成另一种形式的碳。
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  • 《日本产业技术综合研究所（AIST）利用在异质基板上生长的金刚石晶体成功开发出高灵敏度量子传感器》
    • 来源专题：计量基标准与精密测量
    • 编译者：张宇
    • 发布时间：2025-02-11
    • 由东京科学大学（Science Tokyo）工学院电气电子系的波多野睦子教授和岩崎孝之教授、产业技术综合研究所先进功率电子研究中心的牧野俊晴研究团队长和加藤宙光高级主任研究员，以及信越化学工业株式会社精密功能材料研究所的野口仁首席研究员组成的文部科学省光·量子飞跃旗舰计划（Q-LEAP）团队，成功在异质（非金刚石）基板上异质外延生长出金刚石层，并制备出具有适用于量子传感器的晶体取向和相干时间的量子级（直径超过10毫米）的金刚石晶体基板。此外，我们还开发了一种使用相同基板的金刚石量子传感器，并通过应用精密对准技术，证明了该传感器具有抗噪声能力强、精度高（10毫安）的电流测量能力，可满足电动汽车中电池监测系统的需求。 在所有金刚石晶体中，基于NV中心的金刚石晶体量子传感器是一种坚固耐用的传感器，具有高灵敏度和宽动态范围，并可在包括宽温度范围在内的各种外部环境中工作，是一种多模态传感器，能够同时测量磁场、电场、温度、压力等数据。作为一款高精度传感器，世界上对它的研发正在加速推进。然而，此前由于制造方法的限制，用于量子传感器研发的金刚石晶体基板只能实现几毫米的外延生长。 这项研究通过异质外延CVD生长方法，证明了增加金刚石晶体基板外延生长面积并将其应用于高灵敏度量子传感器制造的可能性。这种新方法有望加速量子传感器在生物识别测量等医疗应用和电动汽车电池监测系统等能源监测产品中的应用。 金刚石作为一种量子材料，具有很大的应用潜力。研究小组一直在研究基于金刚石晶体的量子传感器应用，其中原本应为碳（C）的位置被氮（N）取代，且其相邻位置存在空位（V）的空位复合体（NV中心）。使用NV色心的金刚石量子传感器的特点之一是其稳健性，可在较宽的温度和压力范围内在宽动态范围内稳定运行，并且具有同时测量磁场、电场、温度和压力等物理特性的多模态能力。 到目前为止，用于金刚石量子传感器制造的人造金刚石晶体基板一直采用高温高压法（HPHT法）或高温高压法在金刚石晶体上进行同质外延CVD生长的方法（CVD法）获得。然而，由于原始晶体尺寸的限制，使用这种方法只能获得几毫米尺寸的基板。从工业量产的角度来看，就像半导体器件使用的晶体基板一样，直径越大，同时形成的数量就越多，预计实际量产中晶体基板的面积会更大。 在追求大面积化的过程中，由于硅基板、碳化硅基板和蓝宝石基板等已经能够实现工业量产且尺寸超过英寸级别，因此在这些非金刚石异质基板上生长金刚石晶体层的异质外延生长技术的开发也一直进行着，并且已经发布了英寸级别的产品。然而，到目前为止，异质外延生长尚未获得具有适用于量子传感器规格（111）的大面积晶体基板，并且相干时间也仅为最大几微秒的量级。因此，作为量子传感器的实际应用仅限于通过高温高压法或同质外延生长法生产的金刚石晶体基板。 实现具有生物相容性和宽动态范围的，能够在常温大气中工作的，直径超过10毫米的大面积金刚石量子传感器，这不仅扩展了其应用可能性，还提高了工业量产率。 预计这将加速其在医疗行业中的应用，例如生物识别测量和能源设备应用。例如，目前仅在大型医院提供的高精度生物磁性测量将有望在普通诊所中实现，预计电动汽车电池的使用效率将显著提高，且电池重量有望减少10%。 在文部科学省的光·量子飞跃旗舰计划（Q-LEAP）“通过固体量子传感器的高级控制创造创新传感器系统”的项目中，进一步推进了其在医疗应用方面的目标，即无需大型屏蔽设备或冷冻机即可使用，以及在能源设备应用方面，使其能够安装在电动汽车等各类新能源设备上。 此外，通过QST/SIP合作方式创立的固态量子传感器联盟，将加速该技术在企业内部的推广。 这项研究得到了日本文部科学省的光·量子飞跃旗舰计划（Q-LEAP）“通过固态量子传感器的高级控制创造创新传感器系统”（JPMXS0118067395）的支持。 该技术的详细信息已于2025年1月18日发表在《Advanced Quantum Technologies》期刊中。（DOI：10.1002/qute.202400400）
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