美国阿贡国家实验室启动金刚石量子传感器项目，服务高能物理电磁场测量

美国能源部阿贡国家实验室近日启动一项为期三年、经费100万美元的新研究项目，计划将量子信息科学与高能物理研究相结合，开发基于金刚石材料的新一代量子传感器，用于更高精度地测量和绘制电磁场。

在这个充满等离子体的真空腔内，是用于制造金刚石薄膜(图中未显示)的金刚石基底，氮空位量子比特就位于该薄膜内。(图片由纳扎尔·德莱根/阿贡国家实验室提供。)

在高能物理实验中，电磁场测量精度直接关系到实验结果的可靠性。无论是分析粒子碰撞后产生的物质碎片动量，还是追踪磁环中储存粒子的细微运动变化，研究人员都需要准确掌握实验环境中的磁场和电场分布及其时空变化。即便很小的测量误差，也可能限制实验精度。

该项目的核心技术是金刚石中的氮空位中心(NV中心)。这种结构由金刚石晶体中的一个氮原子与相邻碳原子空位组成，具有可被光和微波读取的量子能级特征。当周围磁场或电场发生变化时，其能级也会随之改变，因此可用于高灵敏度电磁场探测。

项目团队表示，研究目标包括构建超高精度NV量子传感器，研制大型磁场测绘系统原型，并为适用于快速变化电磁环境的传感器阵列奠定基础。研究人员还将针对高能物理实验需求定制金刚石材料，并在实验室条件及实际应用环境中开展测试，包括高磁场和高辐射环境。

在阿贡国家实验室，金刚石薄膜通过特殊工具从较大层材料上切割和剥离。(图片由纳扎尔·德莱根/阿贡国家实验室提供。)

由于金刚石基量子传感器具有天然抗辐射能力、体积紧凑，并可同时测量多个物理量，该技术被认为适合应用于严苛实验环境。对于空间受限、辐射较强或对测量精度要求极高的高能物理装置而言，这类传感器有望减少仪器和电缆需求，并提供更完整的实验条件信息。

项目负责人表示，研究团队希望形成一种可与现有微电子系统集成的传感平台，使量子传感器能够进入未来加速器和高能物理实验现场。若项目进展顺利，该技术将帮助科研人员降低测量不确定性，提高实验精度，并为探索物质基本性质提供新的技术支撑。

该研究由美国能源部高能物理办公室量子信息科学计划资助。