據(jù)外媒報(bào)道，美國(guó)麻省理工學(xué)院(MIT)的研究人員首次在硅芯片上打造了一種基于金剛石的量子傳感器，從而能夠?yàn)榈统杀?、可擴(kuò)展的量子計(jì)算、傳感和通信硬件鋪平道路。

麻省理工學(xué)院的研究人員使用傳統(tǒng)的制造技術(shù)(如圖所示)在硅芯片上制造了基于鉆石的量子傳感器，該技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)低成本的量子硬件。

金剛石中的“氮空位(NV)中心”是一種電子的缺陷，能夠被光和微波操縱。作為響應(yīng)，它們發(fā)射出彩色光子，其中攜帶有有關(guān)周?chē)艌?chǎng)和電場(chǎng)的量子信息，可用于生物傳感、神經(jīng)成像、物體檢測(cè)和其他傳感應(yīng)用。但是，傳統(tǒng)的基于NV的量子傳感器大約只有一張廚房桌子那么大，其昂貴的分立元器件限制了其實(shí)用性和可擴(kuò)展性。

在《自然電子》上發(fā)表的一篇論文中，研究人員找到了一種方法，使用傳統(tǒng)的半導(dǎo)體制造技術(shù)，將所有笨重、體積龐大的組件(包括微波發(fā)生器、濾光器和光電探測(cè)器等)都集成到一個(gè)尺寸只有毫米大小的包裝中。值得注意的是，該傳感器能夠在室溫下運(yùn)行，具有檢測(cè)磁場(chǎng)方向和強(qiáng)度的能力。

研究人員展示了該傳感器在磁力計(jì)中的用途，這意味著他們能夠測(cè)量由于周?chē)艌?chǎng)引起的原子尺度的頻率變化，而周?chē)艌?chǎng)可能會(huì)包含有關(guān)周?chē)h(huán)境的信息。通過(guò)進(jìn)一步完善，該傳感器還可用于其他領(lǐng)域，如繪制大腦中的電脈沖圖、在漆黑的環(huán)境中探測(cè)物體等。

電氣工程和計(jì)算機(jī)科學(xué)系(EECS)的研究生克里斯托弗·佛伊(Christopher Foy)說(shuō)：“一般傳感器很難阻擋磁場(chǎng)，因此對(duì)于量子傳感器而言，這是一個(gè)巨大的優(yōu)勢(shì)。如果有車(chē)輛在您下方的地下隧道中行駛，即使您在那兒看不到它，也可以將其檢測(cè)出來(lái)?！?/p>

收縮和堆疊

如果金剛石晶格結(jié)構(gòu)中兩個(gè)相鄰位置的碳原子消失，其中一個(gè)原子被氮原子取代，另一個(gè)位置“缺失”，就會(huì)造成NV中心，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)中缺失了鍵，而此類結(jié)構(gòu)中的電子會(huì)對(duì)周?chē)h(huán)境中的電、磁和光學(xué)特性的微小變化極其敏感。

NV中心本質(zhì)上是一個(gè)具有原子核和周?chē)娮拥脑印Ｋ€具有光致發(fā)光特性，這意味著它能夠吸收并發(fā)射彩色光子。掃過(guò)整個(gè)NV中心的微波可以讓其改變狀態(tài)(正、中性和負(fù))，進(jìn)而改變其電子的自旋。然后，根據(jù)自旋，NV中心又會(huì)發(fā)出不同數(shù)量的紅色光子。

一種稱為光學(xué)檢測(cè)磁共振(ODMR)的技術(shù)可以測(cè)量出NV中心與周?chē)艌?chǎng)相互作用后發(fā)射出的光子數(shù)量。這種相互作用產(chǎn)生了有關(guān)磁場(chǎng)的更多可量化信息。為了實(shí)現(xiàn)這一切，傳統(tǒng)傳感器需要龐大的組件，包括激光器、電源、微波發(fā)生器、用于引導(dǎo)光和微波的導(dǎo)體、光學(xué)濾波器和傳感器以及讀數(shù)組件。

不過(guò)，MIT研究人員開(kāi)發(fā)了一種新型的芯片體系結(jié)構(gòu)，可以使用標(biāo)準(zhǔn)的互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)技術(shù)，以某種方式定位和堆疊微小的廉價(jià)組件，因此新型的芯片體系的功能類似于那些龐大的組件。研究人員說(shuō)：“ CMOS技術(shù)可以在芯片上實(shí)現(xiàn)非常復(fù)雜的3-D結(jié)構(gòu)， 我們可以在芯片上創(chuàng)建一個(gè)完整的系統(tǒng)，并且頂部只需要一塊金剛石和綠色激光即可，這可以是常規(guī)的芯片級(jí)LED?！?/p>

金剛板中的NV中心位于芯片的“傳感區(qū)”中，小型綠色激光器會(huì)激發(fā)NV中心，同時(shí)靠近NV中心放置的納米線則響應(yīng)電流而產(chǎn)生掃掠微波。基本來(lái)說(shuō)，激光和微波會(huì)配合工作，使NV中心發(fā)出不同數(shù)量的紅色光子，而差值就是研究人員實(shí)驗(yàn)中需要的目標(biāo)信號(hào)。

在NV中心下方是一個(gè)光電二極管，能夠消除噪聲并測(cè)量光子。在金剛石和光電二極管之間是一個(gè)金屬光柵，它可以充當(dāng)過(guò)濾器，吸收綠色激光光子，同時(shí)允許紅色光子到達(dá)光電二極管。簡(jiǎn)而言之，這將能在芯片上啟用ODMR器件，該器件可以測(cè)量帶有周?chē)艌?chǎng)信息的紅色光子的共振頻率偏移。

但是，一個(gè)芯片如何完成大型計(jì)算機(jī)的工作?一個(gè)關(guān)鍵技巧就是移動(dòng)產(chǎn)生微波的導(dǎo)線，使其與NV中心保持最佳距離。即使芯片非常小，該精確的距離也可使線電流產(chǎn)生足夠的磁場(chǎng)來(lái)操縱電子。同時(shí)，微波導(dǎo)線和電路在設(shè)計(jì)中都被考慮在內(nèi)，而且被緊密集成至芯片中。在他們的論文中，研究人員表示，其設(shè)計(jì)能夠產(chǎn)生足夠的磁場(chǎng)，用于目標(biāo)探測(cè)。

只是開(kāi)始

在今年早些時(shí)候，在國(guó)際固態(tài)電路會(huì)議上，研究人員還介紹了第二代傳感器，該傳感器對(duì)其設(shè)計(jì)進(jìn)行了各種改進(jìn)，以實(shí)現(xiàn)100倍高的靈敏度。研究人員表示，接下來(lái)，他們致力于如何將靈敏度提高1000倍，他們目前已有了基本的路線圖：即要擴(kuò)大芯片的尺寸以增加NV中心的密度，這決定了靈敏度。

如果研發(fā)能夠成功，該傳感器甚至可以用于神經(jīng)成像應(yīng)用。這意味著將傳感器放在神經(jīng)元附近，檢測(cè)激發(fā)神經(jīng)元的強(qiáng)度和方向，從而幫助研究人員繪制神經(jīng)元之間的聯(lián)系，并查看哪些神經(jīng)元相互觸發(fā)。未來(lái)的其他應(yīng)用還包括替換車(chē)輛和飛機(jī)的GPS，由于能夠很好地繪制出地球磁場(chǎng)，量子傳感器就能成為極其精確的指南針，即使在沒(méi)有GPS的環(huán)境中也是如此。

研究人員說(shuō)：“這只是成就的開(kāi)始。這是一段漫長(zhǎng)的旅程，但是我們已經(jīng)有了兩個(gè)里程碑，分別是第一代和第二代傳感器。我們計(jì)劃從傳感到通信再到計(jì)算。”

哈佛大學(xué)高級(jí)講師羅恩·沃爾斯沃思(Ron Walsworth)說(shuō)：“我對(duì)這種量子傳感器技術(shù)充滿熱情，并預(yù)見(jiàn)了它將在多個(gè)領(lǐng)域產(chǎn)生重大影響。他們?cè)诹孔咏饎偸瘋鞲衅髋cCMOS技術(shù)集成方面邁出了關(guān)鍵的一步，其中包括片上微波的產(chǎn)生和傳輸，以及片上過(guò)濾和檢測(cè)金剛石中量子缺陷中攜帶信息的熒光燈。下一步將是進(jìn)一步提高量子金剛石傳感器的靈敏度和帶寬，并將CMOS金剛石傳感器與包括化學(xué)分析、NMR光譜和材料表征在內(nèi)的廣泛應(yīng)用結(jié)合起來(lái)?！?/p>