近日，香港大學(xué)團(tuán)隊(duì)在量子器件制造取得突破，開發(fā)出一種納米級精度的打印方法，以量子水平打印出金剛石納米顆粒中的氮-空位色心。

新技術(shù)以納米級精度打印含有NV色心的納米金剛石，圖片來自香港大學(xué)

對物理學(xué)家而言，鉆石作為寶石，其中的瑕疵更具吸引力。氮-空位色心（NV色心）是一種在金剛石（鉆石的原石）晶體結(jié)構(gòu)中最常見的點(diǎn)缺陷，是當(dāng)前最具代表性的量子體系。NV色心是原子級別的固態(tài)設(shè)備，作為重要的量子材料，它擁有光學(xué)可調(diào)的自旋自由度，在固態(tài)量子處理器中具有量子比特和量子探測器等核心功能。

現(xiàn)今的量子體系，例如超導(dǎo)量子干涉儀，只能在極低溫（?150°C至絕對零度?273°C）環(huán)境下進(jìn)行操作。由于NV色心在室溫下也具有強(qiáng)力的量子態(tài)，這對于實(shí)現(xiàn)室溫量子器件尤其重要。

要實(shí)現(xiàn)相關(guān)應(yīng)用，對量子技術(shù)的一個(gè)核心要求是要在集成電路上精準(zhǔn)地放置單個(gè)NV色心。 這一技術(shù)突破將帶動量子計(jì)算機(jī)、量子通訊和量子生物感知等重要新興領(lǐng)域的發(fā)展。

但目前技術(shù)阻礙主要包括定位精度粗糙、通量低和工藝復(fù)雜等問題?，F(xiàn)有的幾種方案將具有NV色心的納米金剛石顆粒，定位在各種基板和電路上，當(dāng)中包括復(fù)雜的“拾取和放置”納米操作方法，效果并不理想。

此次，香港大學(xué)工程學(xué)院機(jī)械工程系博士Ji Tae Kim和電機(jī)電子工程系博士褚智勤領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)，開發(fā)了一種納米級精度的打印方法，以量子水平打印出金剛石納米顆粒中的NV色心。相關(guān)成果發(fā)表在《先進(jìn)科學(xué)》(Advanced Science)，該技術(shù)被選為期刊底面的當(dāng)期精選故事，并已申請美國專利發(fā)明。

《先進(jìn)科學(xué)》Advanced Science期刊底面的當(dāng)期精選研究

以往鉆石作為最堅(jiān)硬的材料，因此很難加工。此次研究的新方法足以應(yīng)對這一難題，團(tuán)隊(duì)通過對含有納米金剛石的亞公升液滴（<10的負(fù)18次方升）進(jìn)行電控的分發(fā)，直接將NV色心放置在通用的基底上。

“當(dāng)前十分需要一種通用并且靈活的、用于實(shí)現(xiàn)納米級精度并兼具優(yōu)良可擴(kuò)展性、可控成本以及與廣泛的納米光子電路可兼容的金剛石顆粒定位方法?！瘪抑乔诒硎荆拔覀冄邪l(fā)的新技術(shù)，能體現(xiàn)出亞波長的定位精度、單缺陷級的數(shù)量控制水平和自由圖案化的能力，滿足相關(guān)的技術(shù)要求。這種新穎的方法將為制造量子信息處理器、量子計(jì)算器和生物傳感器等量子器件，開拓出一條實(shí)用且具經(jīng)濟(jì)效益的出路?！?/p>

在量子水平上打印的NV色心，a為共聚焦熒光圖像，b為相應(yīng)熒光點(diǎn)的二階關(guān)聯(lián)函數(shù)g(2)(τ)，c為每個(gè)點(diǎn)所打印的NV色心的數(shù)量分布直方圖，圖片來自香港大學(xué)

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