康奈尔大学教授格雷戈里·富克斯(Gregory Fuchs)说，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细图像，提高了钻石的游戏水平。

该团队由美国能源部(DOE)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，他们用声波对钻石进行脉冲，拍摄钻石振动的x射线图像，并根据声波频率测量原子被压缩或膨胀的程度。

其次，他们将原子应变与另一种原子特性——自旋(所有原子物质的特殊特征)——联系起来，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，比我们今天所能做到的要精确得多。未来几十年，量子传感器有望在医学、导航和宇宙学领域得到广泛应用。

摇动和旋转

科学家利用自旋来编码量子信息。通过确定金刚石中的自旋对应变的反应，研究小组提供了一份操作手册:以这种方式给金刚石微摇，自旋会发生这么大的变化。这样摇动钻石，它的自旋偏移了那么多。

这项研究发表在《物理评论应用》(Physical Review Applied)杂志上，是首次有人在千兆赫频率(每秒数十亿次脉冲)下直接测量钻石的相关性。

这也是量子科学界一项更大的努力的一部分，即精确地将各种材料中的原子应变和相关的自旋联系起来。例如，阿贡和芝加哥大学的研究人员之前测量了碳化硅的自旋应变相关性，碳化硅是另一种研究人员正在设计用于量子应用的恒星材料。

该小组的研究得到了Q-NEXT的部分支持，Q-NEXT是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。

富克斯是康奈尔大学应用与工程物理学院的教授，也是Q-NEXT的合作者，他说:“我们把一个方程的两边——自旋面和应变面——联系起来，直接比较钻石内部发生的情况。”“直接敲定这两个目标是非常令人满意的。”

求解自旋-应变方程

方程式的两边相隔数百英里。

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的反应。

为了测量应变，康奈尔大学的研究生和论文作者安东尼·达达里奥开车700英里到伊利诺伊州的阿贡，使用美国能源部科学办公室的用户设施——先进光子源(APS)。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之后，它现在也可以为钻石做同样的事情。研究小组使用了由APS和阿贡纳米材料中心(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，在钻石原子来回晃动时拍摄了类似频闪灯的照片。

他们专注于钻石内部的一个特殊位置:一种被称为氮空位(NV)中心的不规则结构，它由一个原子大小的空穴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的高分辨率图像使研究小组能够测量钻石NV中心附近原子的运动，精确到千分之一。

“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中心附近获得当地的故事，”阿贡国家实验室的科学家和Q-NEXT合作者马丁霍尔特说，他也是论文的作者之一。

“这一直是硬x射线的美妙之处:能够完全穿透复杂的系统，并获得内部结构的定量答案。”

有了旋转和应变的测量数据，Fuchs和他的团队用一个方程将两者联系起来，这个方程与理论令人满意地一致。

“最令人兴奋的部分是进行分析。我们最终找到了一个与自旋和应变有关的新数字，它最终与一些理论和以前的测量结果一致，”达达里奥说。

声学工程

旋转可以通过几种方式进行操纵。最常用的是使用电磁波。使用声波则不太常见。

但它也有优点。首先，声波可以用来操纵自旋，这是电磁场无法做到的。

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，一旦受到环境的干扰就会分崩离析，这一过程被称为退相干。量子研究的目标之一是延缓退相干的时间，使信息能够被成功处理。

霍尔特说:“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音发生器来听不见对话。”“你可以使用声波来保护量子比特免受退相干的影响。你正在改变系统对某种方式的敏感，以保护它免受其他声音过程的影响。”

小型化也有好处。1千兆赫兹的电磁波大约有一英尺长，而1千兆赫兹的声波则非常微小，大约只有一根头发的宽度。这种小波长允许科学家将多个类似的设备放在一个小装置中，并且仍然确保它们的信号不会相互交叉。

Fuchs说:“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，这是非常有限的。”

将这些优势与钻石相结合，就能制造出一种卓越的量子传感器。作为量子信息的宿主，金刚石可以实现较长的信息寿命，可以在室温下工作，并提供可靠的测量。

“我想说，大多数人都会同意我的观点，对于量子传感器来说，钻石是王道，”Fuchs说。

跨学科合作是这项工作的关键。

“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，”霍尔特说。

“能够仔细地对各个部分的反应进行基线分析需要相关性。这是一个多学科的问题，也是Q-NEXT非常适合回答的问题。Q-NEXT在这些设施中为量子系统创建运行环境方面的投资确实得到了回报。”

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