康奈尔大学教授格雷戈里·福克斯表示，就量子传感器材料而言，钻石是最好的材料。现在，他和一组科学家通过生成钻石在微观振动下的精美图像，进一步提高了钻石的性能。

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双重进步。

首先，他们用声波脉冲钻石，拍摄钻石振动的X射线图像，并测量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。

这一发现对于量子传感至关重要，量子传感利用原子的特殊性质进行测量，其精度远高于我们目前的测量能力。预计量子传感器将在未来几十年内广泛应用于医学、导航和宇宙学。

摇晃并旋转

科学家利用自旋来编码量子信息。通过确定钻石中自旋对应变的反应，研究小组提供了如何操纵它的手册：以这种方式微摇钻石，自旋就会发生这么多的变化。以这种方式摇动钻石，自旋就会发生这么多的变化。

该项研究发表在《应用物理评论》上，是首次有人直接测量千兆赫频率(每秒数十亿个脉冲)下钻石的相关性。

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，碳化硅是研究人员正在为量子应用设计的另一种恒星材料。

该小组的研究部分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资助。

“我们将方程的两边——自旋边和应变边——连接起来，直接比较钻石中发生的情况，”康奈尔大学应用​​与工程物理学院教授、Q-NEXT合作者Fuchs说道。“直接将两者结合起来非常令人满意。”

求解自旋应变方程

等式的两边相隔数百英里。

为了进行自旋测量，纽约康奈尔大学的科学家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响应。

为了测量应变，康奈尔大学研究生兼论文作者AnthonyD'Addario驱车700英里前往伊利诺伊州阿贡，使用先进光子源(APS)，这是美国能源部科学办公室的一个用户设施。这台周长1公里的机器可以产生X射线，让研究人员能够看到材料在原子和分子水平上的行为。

在为量子技术生成其他材料应变图像后，该团队现在将对钻石进行同样的处理。该团队使用由APS和阿贡纳米材料中心(也是美国能源部科学办公室用户设施)联合运营的X射线束，拍摄了钻石原子来回摇晃时的闪光灯状照片。

他们专注于钻石内的一个特定位置：一种称为氮空位(NV)中心的不规则结构，它由一个原子大小的空洞和一个相邻的氮原子组成。科学家使用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，精度达到千分之一。

阿贡国家实验室的科学家、Q-NEXT合作者马丁·霍尔特(MartinHolt)也是该论文的作者之一，他说：“能够使用APS明确地观察或量化NV中心附近的应变，因为它受到普渡大学和康奈尔大学开发的这些美妙的声学谐振器的调制，这使我们能够在NV中心附近获得当地的情况。”

“硬X射线的魅力始终在于：能够彻底洞察复杂系统，并获得有关其内部情况的定量答案。”

在掌握自旋和应变测量数据后，福克斯和团队将两者关联成一个方程，结果令人满意，与理论相符。

“最令人兴奋的部分是进行分析。我们最终找到了一个与旋转和应变相关的新数字，并且它最终与一些理论和之前的测量结果相一致，”达达里奥说。

声学工程

旋转可以通过几种方式进行操控。最常用的是使用电磁波。使用声波则不太常见。

但它也有优势。首先，声波可以用来操控自旋，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。量子信息很脆弱，受到环境干扰时就会崩溃，这一过程称为退相干。量子研究的目标之一就是尽可能长时间地避免退相干，以便成功处理信息。

“给系统添加声音会让系统变得更好，这有点违反直觉，但这有点像打开白噪声发生器却听不到谈话一样，”霍尔特说。“你可以使用声波来保护量子比特免受退相干。你正在改变系统敏感的内容，从而保护它免受其他声音过程的影响。”

小型化也具有优势。1千兆赫的电磁波大约一英尺长，而千兆赫的声波很小，大约只有人的头发那么宽。这种小波长使科学家能够在一个小型装置中放置多个类似的设备，同时仍能确保它们的信号不会相互交叉。

“如果你希望相邻设备之间不会有太多讨论或干扰，那么你可以使用声波设备，这种设备可以非常受限，”福克斯说。

将这些优势与金刚石相结合，可以制造出更出色的量子传感器。作为量子信息的载体，金刚石可以实现较长的信息寿命，可在室温下工作，并提供可靠的测量结果。

“我想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，”福克斯说。

跨学科合作是此项努力的关键。

霍尔特说：“由于这些系统的复杂性和敏感性，有许多不同的东西可以改变量子现象。”

“要仔细确定对各个部分的响应，需要相关性。这是一个多学科问题，而Q-NEXT非常适合回答这个问题。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获得了回报。”

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