MIT首次在芯片上打造基于金剛石的量子傳感器 或取代車輛上的GPS

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)榈统杀尽⒖蓴U(kuò)展的量子計(jì)算、傳感和通信硬件鋪平道路。

金剛石中的“氮空位中心”(NV centers)是一種電子缺陷，能夠被光和微波控制。但是，此種缺陷會(huì)發(fā)出彩色光子，攜帶周圍磁場(chǎng)和電場(chǎng)的量子信息，可以用于生物傳感、目標(biāo)探測(cè)和其他傳感應(yīng)用。但是，傳統(tǒng)的基于NV的量子傳感器有餐桌那么大，還配備了昂貴的分立元器件，限制其實(shí)用性和可擴(kuò)展性。

不過，MIT的研究人員找到一種方法，利用傳統(tǒng)的半導(dǎo)體制造技術(shù)，將所有體積龐大的組件，包括微波發(fā)生器、光學(xué)濾波器和光探測(cè)器等都集成至一個(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工作，具有感應(yīng)磁場(chǎng)方向和強(qiáng)度的能力。

研究人員展示的這種傳感器可用于磁力測(cè)量，這意味著能夠測(cè)量由于周圍磁場(chǎng)引起的原子尺度的頻率變化，而周圍磁場(chǎng)可能會(huì)包含有關(guān)周圍環(huán)境的信息。經(jīng)過進(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。

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)周圍環(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)原子，有一個(gè)原子核，周圍還有電子，還具備光致發(fā)光特性，能夠吸收和發(fā)射彩色光子。掃過NV中心的微波可讓其改變狀態(tài)(正、中性和負(fù))，反過來改變電子的自旋，根據(jù)自旋，NV中心又會(huì)發(fā)射不同數(shù)量的紅色光子。

而光學(xué)檢測(cè)磁共振(ODMR)技術(shù)能夠測(cè)量出NV中心與周圍磁場(chǎng)相互作用后發(fā)出的光子數(shù)量，此種相互作用產(chǎn)出了有關(guān)磁場(chǎng)的可量化信息。為了實(shí)現(xiàn)這一切，傳統(tǒng)的傳感器需要各種體積龐大的組件(餐桌那么大)，包括安裝在其上面的激光器、電源、微波發(fā)生器、傳輸光和微波的導(dǎo)體、一個(gè)光學(xué)濾波器和傳感器以及一個(gè)讀出組件。