普林斯顿等离子体物理实验室(PPPL)近日披露，其旗下量子驱动实验室(QDL)正利用等离子体技术培育含"氮空位中心"的实验室金刚石，这些材料有望成为下一代超灵敏量子传感器的核心组件，可用于探测潜艇磁信号、在GPS受干扰时引导飞行器、绘制地下隐藏物体地图以及监测活细胞内部电活动。
上图展示了构成金刚石的原子晶格模型。黑色球体代表碳原子。蓝色和紫色球体代表氮原子及其相邻的空位。正是这种氮空位缺陷赋予了金刚石独特的性质，使其成为一种卓越的传感器。(图片来源：Michael Livingston / PPPL 通信部)
PPPL由莱曼·斯皮策创立，初衷是通过控制等离子体实现原子聚变产生净能量。在实验室运行75周年之际，其研究方向已拓展至材料科学领域。QDL隶属于实验室应用材料与可持续发展科学(AMSS)理事会，由普林斯顿大学教授艾米丽·卡特领导，实验室负责人为阿拉斯泰尔·斯泰西。
QDL研究人员利用等离子体反应器，使等离子体中的原子与金刚石"晶种"相互作用，逐层生长出新材料，并通过调整气体组合、等离子体温度和样品温度来控制原子结构。培育出的金刚石中，部分碳原子被氮原子取代并留下空位，形成"氮空位中心"(NV中心)，可作为量子比特操控，对磁场、温度和电流变化极为敏感。科学家通过激光脉冲和微波脉冲控制量子比特，并通过观察金刚石发光读取信号。
上图为普林斯顿等离子体物理实验室(PPPL)培育的钻石样品。(图片来源：Henry Wu / PPPL)
增加量子比特数量面临的主要挑战是：激活NV中心所需的电子目前来自晶体中的氮元素，而氮同时会引入噪声，破坏量子特性。QDL采用"共掺杂"策略，在氮之外添加磷元素，使氮不再承担双重角色，目标是在不牺牲量子特性的前提下更密集地排列量子比特，并将其精确放置在金刚石内部特定位置。
QDL配备了Element Six公司提供的工业金刚石合成设备。实验室与普林斯顿大学建立了紧密的反馈机制：PPPL团队专注钻石生长实验，校内团队专注测量与分析，双方频繁交流而非仅互寄样品。此外，QDL还与康奈尔大学、布鲁克海文国家实验室、纽约市立大学、石溪大学、美国宝石学院(GIA)等机构合作，并加入了美国能源部资助的量子优势协同设计中心。
QDL近期目标是在单个原子尺度上实现金刚石表面平整，为将单个原子精确放置在晶体预定位置提供平台。斯泰西表示，未来12个月的重点是获得这种平坦表面，最终可制造出极其灵敏的传感器，用于检测电子电路或人体细胞中的微弱磁场，以及测量纳米级电场、温度和应变，达到目前无法实现的传感水平。
