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在量子科技浪潮席卷全球的今天，金剛石NV色心（氮-空位色心）以其獨(dú)特的性質(zhì)，成為量子計算、量子通信和量子傳感領(lǐng)域的關(guān)鍵材料。然而，長期以來，國內(nèi)高品級量子鉆石依賴進(jìn)口，面臨國外技術(shù)封鎖的“卡脖子”難題。曲阜師范大學(xué)高壓物理與材料科學(xué)研究團(tuán)隊（HPPMS）在劉曉兵教授的帶領(lǐng)下，憑借國儀量子ODMR（量子鉆石單自旋譜儀）系統(tǒng)的支持，成功研發(fā)出性能達(dá)到國際領(lǐng)先水平的量子鉆石，為我國量子信息技術(shù)的自主化注入了新動能。

解決量子鉆石“卡脖子”難題

“我們團(tuán)隊是‘高壓物理與材料科學(xué)研究團(tuán)隊’，簡稱HPPMS，成立于2018年?！眻F(tuán)隊成員張曉冉博士后介紹道。在劉曉兵教授的帶領(lǐng)下，這支團(tuán)隊從成立之初就將目光投向了量子功能材料領(lǐng)域，特別是功能級金剛石材料的研發(fā)。

面對國內(nèi)在高品級量子鉆石被“卡脖子”的技術(shù)難題，劉曉兵教授毅然決定要牽頭自主開發(fā)量子鉆石?！皣鴥?nèi)對高品級量子鉆石的需求基本上都依賴國外進(jìn)口，但隨著國際科技競爭越來越激烈，近年來以美國為首的西方國家在功能金剛石方面對我們實施出口限制?！睆垥匀秸f道，正是在這樣嚴(yán)峻的形勢下，團(tuán)隊開啟了量子金剛石的自主研發(fā)之路。

經(jīng)過多年深耕，團(tuán)隊在金剛石內(nèi)部缺陷調(diào)控機(jī)理方面取得重大突破，成功研發(fā)了高溫高壓條件下無損制備高質(zhì)量NV色心的技術(shù)。基于這項技術(shù)，他們完成了一系列量子鉆石的開發(fā)，包括達(dá)到國際領(lǐng)先水平的單色心量子鉆石，密度可從1ppm調(diào)控到40多ppm的高密度色心量子鉆石，以及面向生物傳感應(yīng)用的納米量子鉆石等。

技術(shù)挑戰(zhàn)：為什么NV色心可控制備如此關(guān)鍵

“NV色心作為一種非常優(yōu)異的固態(tài)量子系統(tǒng)，在量子計算、量子通信、量子傳感等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力?！睆垥匀浇忉尩溃暗煌瑧?yīng)用場景對色心特性提出了高度差異化的要求。

具體而言，量子計算、量子網(wǎng)絡(luò)以及高空間分辨率精密探測等應(yīng)用需要高相干、可獨(dú)立操控的單色心；而量子模擬、量子存儲以及高靈敏度量子傳感等領(lǐng)域則需要高密度高相干的集群NV色心。因此，對NV色心的類型、密度、相干性質(zhì)及擇優(yōu)取向性等方面的可控制備，成為量子技術(shù)從實驗室走向?qū)嵱没年P(guān)鍵挑戰(zhàn)之一。

國儀量子ODMR，完成上千顆樣品的測試表征

“ODMR系統(tǒng)可以說是開展NV色心研究的最核心設(shè)備?！睆垥匀綇?qiáng)調(diào)，通過ODMR共聚焦熒光mapping采集，可以獲取NV色心的類型和密度；通過連續(xù)波以及脈沖實驗，可以開展NV色心擇優(yōu)取向以及相干性質(zhì)的表征；在應(yīng)用研究層面，ODMR系統(tǒng)還可用于樣品磁、熱、力等物理信號的量子傳感。

研究人員操作量子鉆石單自旋譜儀（ODMR）

2022年初，團(tuán)隊開始與國儀量子建立合作，至今已使用其ODMR系統(tǒng)3年半時間?！皣鴥x量子是國際上NV色心相關(guān)儀器開發(fā)領(lǐng)域的先鋒團(tuán)隊?！睆垥匀皆u價道。根據(jù)科研需要，團(tuán)隊先后配置了兩臺ODMR系統(tǒng)，累計完成了上千顆實驗樣品的表征。

技術(shù)硬實力配合全流程服務(wù)

談到使用體驗，張曉冉給出了高度評價：“在硬件層面，這臺ODMR系統(tǒng)實現(xiàn)了光學(xué)模塊、探頭模塊、微波模塊、磁體模塊以及控制模塊的高度集成，大量節(jié)省了實驗臺空間，同時顯著提升了系統(tǒng)穩(wěn)定性，可以有效控制實驗長期運(yùn)行過程中常見的光路漂移等問題。”

軟件設(shè)計方面同樣出色?！坝脩艚缑娣浅：啙崳δ芊謪^(qū)十分清晰，使我們的科研人員能夠快速上手。軟件對實驗流程的自動化設(shè)計，極大簡化了操作步驟，提高了實驗效率?！?/p>

量子鉆石單自旋譜儀（ODMR）

更讓團(tuán)隊印象深刻的是國儀量子的技術(shù)支持服務(wù)?！笆矍肮こ處熱槍υO(shè)備的不同功能進(jìn)行細(xì)致講解和實操指導(dǎo)，幫助我們快速掌握設(shè)備核心功能；設(shè)備運(yùn)行中遇到問題，公司技術(shù)團(tuán)隊總能快速響應(yīng)并提供解決方案，無論是遠(yuǎn)程協(xié)助調(diào)試還是現(xiàn)場維護(hù)，都能高效解決問題，保證了實驗的順利開展?！睆垥匀奖硎?，“這些實實在在的使用體驗讓我們深刻感受到公司的技術(shù)實力，以及采購國產(chǎn)設(shè)備的優(yōu)勢?！?/p>

突破性成果 刷新國際紀(jì)錄

在國儀量子ODMR系統(tǒng)的助力下，曲阜師范大學(xué)團(tuán)隊取得了一系列突破性成果。與國際現(xiàn)有量子鉆石相比，他們不僅針對不同應(yīng)用場景進(jìn)行定制化開發(fā)，構(gòu)建了更豐富多元的量子鉆石體系，更在材料性能上達(dá)到了國際領(lǐng)先水平。

“例如，我們制備的單色心樣品，其自旋相干時間最長可達(dá)720μs，光學(xué)共振激發(fā)光譜最小線寬僅30MHz，相干性能已經(jīng)實現(xiàn)了天然豐度金剛石的最高水平；對于高密度NV色心量子鉆石，密度可達(dá)46ppm，這也刷新了NV色心密度的國際紀(jì)錄?！睆垥匀阶院赖卣f道。

產(chǎn)業(yè)化前景：從實驗室走向應(yīng)用

團(tuán)隊的研究成果已開始顯現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化價值。目前，他們在單色心量子鉆石、高密度量子鉆石等成果已成功實現(xiàn)轉(zhuǎn)化，其他多項技術(shù)成果也在穩(wěn)步推進(jìn)成果轉(zhuǎn)化進(jìn)程?！拔覀兿Ｍ@些高品質(zhì)的量子鉆石能為國內(nèi)NV色心量子技術(shù)的發(fā)展提供堅實的材料支撐?！睆垥匀奖硎?。

隨著NV色心應(yīng)用技術(shù)研究的不斷突破，量子鉆石的產(chǎn)業(yè)化已成必然趨勢。團(tuán)隊期待與NV色心應(yīng)用領(lǐng)域的廣大科研工作者積極交流、深入合作，共同推動量子鉆石的制備與實際應(yīng)用場景的精準(zhǔn)對接，攜手推進(jìn)我國NV色心量子應(yīng)用技術(shù)的創(chuàng)新與落地。

國產(chǎn)高端科學(xué)儀器助力科技自立自強(qiáng)

曲阜師范大學(xué)的量子鉆石研究之路，是中國科技自立自強(qiáng)的生動寫照。從面臨國外技術(shù)封鎖到實現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)突破，從依賴進(jìn)口設(shè)備到使用國產(chǎn)ODMR系統(tǒng)創(chuàng)造世界紀(jì)錄，這支年輕團(tuán)隊用3年半的時間證明了：國產(chǎn)科研設(shè)備不僅能夠滿足前沿科研需求，更能助力中國科學(xué)家在國際舞臺上發(fā)出強(qiáng)音。

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