近日，科学家们绘制了钻石中的原子振动图，并将其与嵌入其中的量子系统的行为联系起来。这项工作推进了量子传感器的发展，量子传感器将比现在的检测工具精确得多。
康奈尔大学教授Gregory Fuchs表示，在量子传感器材料方面，钻石是最好的选择。现在，他和一组科学家通过生成钻石经历微观振动的精美图像，提升了钻石的游戏水平。
该团队由美国能源部阿贡国家实验室、康奈尔大学和普渡大学的研究人员组成，在量子信息科学方面取得了两倍的进步。
首先，用声波对钻石进行脉冲处理，他们拍摄了钻石振动的X射线图像，并测量了原子根据波频率压缩或膨胀的程度。
其次，他们将原子应变与另一种原子性质——自旋——联系起来，自旋是所有原子物质的一个特殊特征，并定义了两者之间的数学关系。
这些发现是量子传感的关键，量子传感利用原子的特殊特征进行测量，其精度远远高于我们今天的能力。未来几十年，量子传感器有望在医学、导航和宇宙学中得到广泛应用。
摇晃并旋转
科学家利用自旋来编码量子信息。通过确定自旋对钻石应变的反应，该团队提供了一本如何操纵它的手册：以这种方式给钻石一个微震动，自旋就会改变这么多。以这种方式摇动钻石，旋转会发生很大变化。
这项发表在《Physical Review Applied》期刊上的研究（DOI：10.1103/PhysRevApplied.22.024016）是第一次有人直接测量钻石在千兆赫频率（每秒数十亿个脉冲）下的相关性。这也是量子科学界为精确连接各种材料中的原子应变和相关自旋而做出的更大努力的一部分。例如，阿贡国家实验室和芝加哥大学的研究人员之前测量了碳化硅中的自旋应变相关性，碳化硅是研究人员为量子应用而设计的另一种恒星材料。
该小组的研究部分得到了由阿贡国家实验室领导的美国能源部国家量子信息科学研究中心Q-NEXT的支持。
康奈尔大学应用与工程物理学院教授、Q-NEXT的合作者Fuchs表示：“我们正在连接一个方程的两侧——自旋侧和应变侧——并直接比较钻石中的情况。”。“直接将他们两人击倒，我感到非常满意。”
求解自旋应变方程
等式的两边相距数百英里。
对于自旋测量，纽约康奈尔大学的科学家们使用康奈尔大学和普渡大学的研究人员开发的一种独一无二的设备，测量了自旋对穿过钻石的声波脉冲的反应。
为了进行应变测量，康奈尔大学的研究生和论文作者Anthony D'Addario驱车700英里前往伊利诺伊州的阿贡国家实验室，使用美国能源部科学办公室的高级光子源（APS）用户设施。这台周长1公里的机器产生X射线，使研究人员能够看到材料在原子和分子水平上的行为。在为量子技术生成了其他材料的应变图像后，它现在也可以为钻石做同样的事情。该团队使用APS和阿贡国家实验室纳米材料中心（也是美国能源部科学办公室的一个用户设施）联合操作的X射线束，在钻石原子来回摇晃时拍摄了类似闪光灯的照片。
他们专注于钻石内的一个特定位置：一个称为氮空位（NV）中心的不规则结构，由一个原子大小的孔和一个相邻的氮原子组成。科学家们使用NV中心作为量子传感器的基础。
APS的高分辨率图像使该团队能够测量钻石NV中心附近原子的运动，达到千分之一。
阿贡国家实验室科学家和Q-NEXT合作者Martin Holt表示：“能够使用APS明确地观察或量化NV中心附近的应变，因为它是由普渡大学和康奈尔大学开发的这些美丽的声学谐振器调制的，这使我们能够在NV中心附近本地了解情况。”Martin Holt也是该论文的作者。“这一直是硬X射线的美妙之处：能够完全穿透复杂的系统，并获得关于内部情况的定量答案。”
在掌握了自旋和应变测量结果后，Fuchs和团队将两者联系在一个方程中，该方程令人满意地与理论一致。
D’Addario表示：“最令人兴奋的部分是进行分析。我们最终发现了一个与自旋和应变相关的新数字，它最终与一些理论和之前的测量结果一致。”。
声学工程
旋转可以通过几种方式操纵。最流行的是使用电磁波。使用声波不太常见。
但它有优势。首先，声波可以用来操纵自旋，这是电磁场无法实现的。
另一方面，声波可以保护自旋中编码的量子信息。量子信息是脆弱的，当受到环境的干扰时会崩溃，这一过程称为退相干。量子研究的目标之一是避免退相干足够长的时间，以便成功处理信息。
Holt表示：“给系统添加声音会让它变得更好，这有点违反直觉，但这有点像打开白噪声发生器听不到对话。”。“你可以使用声波来保护量子比特免受退相干的影响。你正在以一种保护系统免受其他声音过程影响的方式改变系统的敏感度。”
还有小型化的优点。虽然1千兆赫的电磁波大约有一英尺长，但千兆赫的声波很小，大约有人类头发的宽度。这种小波长使科学家能够在一个小装置中放置多个类似的设备，并确保它们的信号不会相互交叉。
Fuchs表示：“如果你不希望相邻设备之间有太多的讨论或干扰，那么你可以使用声波设备，这可能非常有限。”。
将这些优势与钻石相结合，可以制成卓越的量子传感器。作为量子信息的宿主，钻石具有较长的信息寿命，可以在室温下运行，并提供可靠的测量。
Fuchs表示：“我想说，大多数人都会同意我的观点，对于量子传感器来说，钻石是王者。”。
跨学科合作是这项工作的关键。
Holt表示：“由于这些系统的复杂性和敏感性，有许多不同的东西可以移动量子现象。”。“能够仔细地对单个片段的反应进行基线分析需要相关性。这是一个多学科的问题，Q-NEXT非常适合回答这个问题。Q-NEXT在为这些设施中的量子系统创建操作环境方面的投资确实取得了回报。”
这项工作得到了美国能源部科学国家量子信息科学研究中心的支持，该中心是Q-NEXT中心的一部分。
