据报道，美国麻省理工学院（MIT）的研究人员首次在硅芯片上制造了基于金刚石的量子传感器，研究人员将基于金刚石的传感元件集成到一颗芯片上，实现了低成本的高性能量子器件。这一突破或可为量子计算、传感和通信应用提供低成本、可扩展的微型化硬件。

金刚石中的“氮空位（NV）中心”是由一个氮原子取代金刚石中的一个碳原子，然后捕获周围的一个空穴形成的，是一种独特的荧光光散射吸收光谱晶格缺陷。结构中缺失的化学键，使电子对周围环境中的电、磁和光学特性的微小变化极为敏感。在响应中，它们会发射出带有周围磁场和电场量子信息的有色光子，可用于生物传感、神经成像、物体检测和其他传感应用。但是，传统的基于NV的量子传感器大约有一张餐桌那么大，其昂贵的分立组件限制了它的实用性和可扩展性。

近期在Nature Electronics上发表的一篇论文中，MIT研究人员利用传统半导体制造工艺，将所有大型组件（包括微波发生器、光学滤波器和光电探测器）集成到了一颗毫米级的封装中。值得注意的是，该传感器可在室温下运行，能够检测磁场的方向和强度。

研究人员展示了这款传感器在磁测量中的应用，利用这款传感器能够测量周围磁场引起的原子级频率偏移，其中包含了有关周围环境的信息。通过进一步完善，该传感器或将具有广泛的应用，从映射大脑中的电脉冲到检测物体（即使完全看到不物体也可以实现探测）。

该论文作者MIT电气工程与计算机科学系（EECS）研究生Christopher Foy说：“磁场很难阻挡，这对于量子传感器而言是一个巨大的优势。例如，如果车辆在我们正下方的地下隧道中行驶，即使我们完全看不到它，也可以将其检测出来。”

该论文其它作者包括EECS研究生Mohamed Ibrahim；Donggyu Kim博士；EECS博士后Matthew E. Trusheim；EECS助理教授兼太赫兹集成电子研究组负责人Ruonan Han；EECS副教授、电子研究实验室（RLE）研究员、量子光子学实验室负责人Dirk Englund。

 微型化，再堆叠

NV中心本质上是一个具有原子核和周围电子的原子。它还具有光致发光特性，这意味着它会吸收并发射有色光子。扫过NV中心的微波可以改变其状态（正电、中性和负电），进而改变其电子的自旋。然后，根据自旋，它会发射出不同数量的红色光子。

一种被称为光学检测磁共振（ODMR）的技术，通过与周围磁场相互作用来测量发射出的光子数量。这种相互作用产生了有关磁场的更多可量化的信息。为了使所有这些过程正常运行，传统传感器需要尺寸庞大的组件，包括激光器、电源、微波发生器、光和微波传输导体、光学滤波器和传感器以及读出组件等。

相比之下，MIT的研究人员开发了一种新颖的芯片架构，可以使用标准的互补金属氧化物半导体（CMOS）技术以某种方式定位并堆叠这些微型化的低成本组件，因此它们可以像那些大尺寸组件一样工作。Ibrahim说：“CMOS技术可以在芯片上实现非常复杂的3D结构。我们能够在芯片上构建一个完整的系统，顶部只需要一片金刚石和一个绿色光源，可以是一颗常规的芯片级LED。”

金刚石片中的NV中心位于芯片的“感应区”。利用一个小型绿色泵浦激光器激发NV中心，而靠近NV中心放置的纳米线则用来响应电流而产生扫描微波。光和微波共同作用，使NV中心发射不同数量的红色光子，其差异便是研究人员实验中读出的目标信号。

NV中心下方是一个光电二极管，用于消除噪声并测量光子。在金刚石和光电二极管之间是一个金属光栅，作为滤光片，吸收绿色激光光子，同时允许红色光子到达光电二极管。简而言之，这实现了一种片上ODMR器件，该器件可以利用携带周围磁场信息的红色光子测量共振频率偏移。

但是，一颗芯片如何完成大型设备的工作呢？一个关键技巧就是简单地移动产生微波的纳米导线，使其获得与NV中心的最佳距离。即使芯片非常小，通过精确的距离也可以使纳米线电流产生足够的磁场来操纵电子。微波纳米导线及电路的紧密集成和协同设计也很重要。在他们的论文中，研究人员能够产生足够的磁场，从而能够实际应用于物体检测。

 还处于起步阶段

今年早些时候在国际固态电路会议上发表的另一篇论文中，研究人员介绍了针对该设计经过多项改进的第二代传感器，以实现提高100倍的灵敏度。接下来，研究人员将根据他们的“路线图”将灵敏度提高1000倍。预计将扩大芯片以增加NV中心的密度，而这决定了传感器的灵敏度。

如果获得成功，这款传感器甚至可以用于神经成像。这意味着将传感器放在神经元附近，可以检测激发神经元的强度和方向。这可以帮助研究人员绘制神经元之间的连接，并弄清楚哪些神经元会相互触发。

这种传感器未来的其他应用还包括替换车辆和飞机中的GPS。地球上的磁场分布已经绘制得非常完善，因此在GPS受限的环境中，这款量子传感器还可以作为极为精确的指南针。

Han表示：“我们还仅处于这项研究的起步阶段。这将是一段漫长的开发过程，但是我们已经取得了两个里程碑，分别是第一代和第二代传感器。我们计划先从传感到通信，再到计算。我们清楚继续研究的方向，也知道如何获得理想的结果。”

哈佛大学高级讲师Ron Walsworth说：“我对这种量子传感器技术充满期待，我认为它将对多个应用领域产生重大影响。”Ron Walsworth的研究团队正在利用NV中心开发高分辨率磁强测量工具。

“他们在金刚石量子传感器和CMOS技术的结合方面迈出了关键的一步，其中包括片上微波的产生和传输，以及来自金刚石量子缺陷的携带信息荧光的片上过滤和检测。他们制得的器件结构紧凑且功耗较低。下一步研究将是进一步提高传感器的灵敏度和带宽，并将这种CMOS金刚石传感器与广泛的应用相结合，包括化学分析、NMR光谱和材料表征等。”Ron Walsworth补充说。

 关于  量子传感器

量子传感器是根据量子力学规律、利用量子效应设计的、用于执行对系统被测量进行变换的物理装置。美国陆军研究实验室传感器与电子设备局物理学家Qudsia Quraishi博士指出，下一代精确传感系统涉及量子传感器，量子传感器基于激光冷却原子，极可能大幅提升系统性能。