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郑州华晶金刚石股份有限公司

站在风口的量子科技 会带火金刚石产业吗

2020-10-20 09:47:12|来源 中国超硬材料网
摘要 2020年10月16日,中共中央政治局就量子科技研究和应用前景举行第二十四次集体学习。提出要充分认识推动量子科技发展的重要性和紧迫性,加强量子科技发展战略谋划和系统布局,把握大趋势...

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       2020年10月16日,中共中央政治局就量子科技研究和应用前景举行第二十四次集体学习。提出要充分认识推动量子科技发展的重要性和紧迫性,加强量子科技发展战略谋划和系统布局,把握大趋势,下好先手棋。
       首先,量子科技是什么?量子科技目前主要有四个应用领域:量子通信(也称量子保密通信)、量子计算、量子模拟、量子传感和计量。高大上的量子科技优点通俗来说就是能够储存海量的信息,能实现保密通信,支付宝账号、网络通信等信息被盗取的可能性大大减少,并且有实现瞬间移动和穿越时空的概念可能。量子科技的发展将对国防、经济、生活产生不可估量的作用。
       其实量子科技从2016年已经开始成为重点支持的产业方向,其中量子通信频繁出现在《十三五国民经济和社会发展规划》、《“十三五”国家战略性新兴产业发展规划》等重要国家规划中,在2019年出台的《长江三角洲区域一体化发展规划纲要》中,量子通信也成为了长三角未来规划布局产业重点。此外,美国在10月7日也发布了《量子前沿报告》。可以发现的是,大国对量子科技的投入,正在不断加码。

       1、量子科技应用大有可为

比如我们北斗卫星导航用的时间测量系统,就是量子科技在全球定位或者是卫星导航系统的一个重要应用,大幅提高了定位的精准度。

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       今年3月,中国科研人员实现了500公里级真实环境光纤的双场量子密钥分发和相位匹配量子密钥分发,传输距离达到509公里,创造了新的世界纪录。
       9月,郭光灿院士团队与奥地利同行合作,首次实现了高保真度的32维量子纠缠态,显著提高了量子通信的信道容量。
       9月5日,中国科学技术大学常务副校长、中国科学院院士潘建伟教授公布光量子计算最新进展,他带领的研究团队已经实现了光量子计算性能超过谷歌53比特量子计算机的100万倍。

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       因此量子科技研究和应用前景正在成为中国前沿科技的发展重点。量子科技的发展具有重大的科学意义和战略价值,是一项对传统技术体系产生冲击、进行重构的重大颠覆性技术创新,并将引领新一轮科技革命和产业变革的方向。

       2、量子领域的科研利器——金刚石

       为推进量子科技革命,加深对量子材料的认识尤为重要。量子材料通常在极低温条件下会展现出一些奇特的性质,例如超导现象等。超导体除了电阻为零外,还会排斥内部的磁场,这种现象叫做迈斯纳效应。
       这些现象只会在低温条件下发生。如果我们能找到一些材料即使不在低温下也能展现超导性质,将会带来革命性的变化。
       含有晶体缺陷的金刚石,成为全球量子科研人员的“重点关注对象”。
       这个缺陷位于规则的碳原子晶格中。该缺陷由单个氮原子和缺失的碳原子或者空位相结合而组成,这种带负电荷的氮空位缺陷,称为NV色心。NV色心具有独特的光学吸收和发射性质,它使金刚石略微带有粉色或黄色

       除了其不寻常的光学特性外,负电荷状态下的NV色心在其基态下也具有电子自旋S = 1。值得注意的是,处于这个态的电子自旋可以在室温下被控制和读出。原因在于,与大多数材料不同,金刚石中的晶格形成低噪声环境,因此不会丢失脆弱的量子特性,并且可以更长时间的存储和探测信息。

       3、金刚石的量子未来已来

       这种自旋状态的稳健性和易读性使得NV金刚石成为各种量子技术的一个非常有应用前景的平台,如量子安全通信,量子计算,量子成像和量子传感等。最近金刚石界的重点研究领域之一就是使用NV色心来测量磁场。

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GPS金刚石磁力计

       基于NV金刚石的传感器不需要重新校准,具有宽带宽,可以集成到轻便、低功耗的设备中。重要的是,由于高空间分辨率的微观探针,NV色心可以用来构建材料表面上的磁场图。由于这些原因,基于金刚石的磁力计既可作为现有技术的替代品,也可以促进全新技术的应用。

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(基于NV金刚石的)精密工程技术

德国的金刚石公司正在使用金刚石来增强磁共振成像(MRI),将其从解剖学转变为类似于正电子发射断层扫描(PET)的分子成像方式。该技术的原理是将电子自旋从NV缺陷转移到目标分子的核自旋。将NV缺陷与目标分子紧密接触,然后用绿光照射,并施加微波源。然后,通过使用一系列微波脉冲,自旋可以从金刚石转移到目标分子的核自旋。核自旋持续足够长的时间,以允许将分子适用于患者和在MRI中具有高对比度的测量。
       然而,要想完美地实现这些应用,我们就需要高品质NV色心金刚石。但是NV色心在天然金刚石中很少见,如果仅限于使用单个样品,则很难进行大量研究。中国作为人造金刚石大国,拥有完善的人造金刚石产业链,高品质的原辅材料、先进的工艺设备,在合成高品质NV色心金刚石领域具有先决优势。
       通过化学气相沉积法(CVD),使用氢气,甲烷和氮气的混合物填充微波室,并将其加热至2500-3000K以产生等离子体。来自等离子体的碳原子逐层沉积在腔室中的金刚石“种子”表面上,这个“种子”最终会成为新金刚石的核。氢会使表面稳定,促进沉积的碳原子形成金刚石,从而合成高品质NV色心金刚石。
       亦如元素六的Matthew Markham博士所说:“金刚石是量子材料与量子技术革命的主要参与者,金刚石的量子未来已来。
       由中国超硬材料网&DT新材料主办的第五届国际碳材料大会暨产业展览会——金刚石论坛将于2020年11月17-20日在上海跨国采购会展中心拉开帷幕。届时,元素六将以金刚石在量子前沿领域研究进展为话题,交流金刚石的量子应用,诚邀您共同探索金刚石未来应用前景!

金刚石论坛参考议题

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