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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應用前景舉行第二十四次集體學習。提出要充分認識推動量子科技發展的重要性和緊迫性，加強量子科技發展戰略謀劃和系統布局，把握大趨勢，下好先手棋。
       首先，量子科技是什么？量子科技目前主要有四個應用領域：量子通信（也稱量子保密通信）、量子計算、量子模擬、量子傳感和計量。高大上的量子科技優點通俗來說就是能夠儲存海量的信息，能實現保密通信，支付寶賬號、網絡通信等信息被盜取的可能性大大減少，并且有實現瞬間移動和穿越時空的概念可能。量子科技的發展將對國防、經濟、生活產生不可估量的作用。
       其實量子科技從2016年已經開始成為重點支持的產業方向，其中量子通信頻繁出現在《十三五國民經濟和社會發展規劃》、《“十三五”國家戰略性新興產業發展規劃》等重要國家規劃中，在2019年出臺的《長江三角洲區域一體化發展規劃綱要》中，量子通信也成為了長三角未來規劃布局產業重點。此外，美國在10月7日也發布了《量子前沿報告》。可以發現的是，大國對量子科技的投入，正在不斷加碼。

       1、量子科技應用大有可為

比如我們北斗衛星導航用的時間測量系統，就是量子科技在全球定位或者是衛星導航系統的一個重要應用，大幅提高了定位的精準度。

       今年3月，中國科研人員實現了500公里級真實環境光纖的雙場量子密鑰分發和相位匹配量子密鑰分發，傳輸距離達到509公里，創造了新的世界紀錄。
       9月，郭光燦院士團隊與奧地利同行合作，首次實現了高保真度的32維量子糾纏態，顯著提高了量子通信的信道容量。
       9月5日，中國科學技術大學常務副校長、中國科學院院士潘建偉教授公布光量子計算最新進展，他帶領的研究團隊已經實現了光量子計算性能超過谷歌53比特量子計算機的100萬倍。

       因此量子科技研究和應用前景正在成為中國前沿科技的發展重點。量子科技的發展具有重大的科學意義和戰略價值，是一項對傳統技術體系產生沖擊、進行重構的重大顛覆性技術創新，并將引領新一輪科技革命和產業變革的方向。

       2、量子領域的科研利器——金剛石

       為推進量子科技革命，加深對量子材料的認識尤為重要。量子材料通常在極低溫條件下會展現出一些奇特的性質，例如超導現象等。超導體除了電阻為零外，還會排斥內部的磁場，這種現象叫做邁斯納效應。
       這些現象只會在低溫條件下發生。如果我們能找到一些材料即使不在低溫下也能展現超導性質，將會帶來革命性的變化。
       含有晶體缺陷的金剛石，成為全球量子科研人員的“重點關注對象”。
       這個缺陷位于規則的碳原子晶格中。該缺陷由單個氮原子和缺失的碳原子或者空位相結合而組成，這種帶負電荷的氮空位缺陷，稱為NV色心。NV色心具有獨特的光學吸收和發射性質，它使金剛石略微帶有粉色或黃色。

       除了其不尋常的光學特性外，負電荷狀態下的NV色心在其基態下也具有電子自旋S = 1。值得注意的是，處于這個態的電子自旋可以在室溫下被控制和讀出。原因在于，與大多數材料不同，金剛石中的晶格形成低噪聲環境，因此不會丟失脆弱的量子特性，并且可以更長時間的存儲和探測信息。

       3、金剛石的量子未來已來

       這種自旋狀態的穩健性和易讀性使得NV金剛石成為各種量子技術的一個非常有應用前景的平臺，如量子安全通信，量子計算，量子成像和量子傳感等。最近金剛石界的重點研究領域之一就是使用NV色心來測量磁場。

GPS金剛石磁力計

       基于NV金剛石的傳感器不需要重新校準，具有寬帶寬，可以集成到輕便、低功耗的設備中。重要的是，由于高空間分辨率的微觀探針，NV色心可以用來構建材料表面上的磁場圖。由于這些原因，基于金剛石的磁力計既可作為現有技術的替代品，也可以促進全新技術的應用。

（基于NV金剛石的）精密工程技術

德國的金剛石公司正在使用金剛石來增強磁共振成像（MRI），將其從解剖學轉變為類似于正電子發射斷層掃描（PET）的分子成像方式。該技術的原理是將電子自旋從NV缺陷轉移到目標分子的核自旋。將NV缺陷與目標分子緊密接觸，然后用綠光照射，并施加微波源。然后，通過使用一系列微波脈沖，自旋可以從金剛石轉移到目標分子的核自旋。核自旋持續足夠長的時間，以允許將分子適用于患者和在MRI中具有高對比度的測量。
       然而，要想完美地實現這些應用，我們就需要高品質NV色心金剛石。但是NV色心在天然金剛石中很少見，如果僅限于使用單個樣品，則很難進行大量研究。中國作為人造金剛石大國，擁有完善的人造金剛石產業鏈，高品質的原輔材料、先進的工藝設備，在合成高品質NV色心金剛石領域具有先決優勢。
       通過化學氣相沉積法（CVD），使用氫氣，甲烷和氮氣的混合物填充微波室，并將其加熱至2500-3000K以產生等離子體。來自等離子體的碳原子逐層沉積在腔室中的金剛石“種子”表面上，這個“種子”最終會成為新金剛石的核。氫會使表面穩定，促進沉積的碳原子形成金剛石，從而合成高品質NV色心金剛石。
       亦如元素六的Matthew Markham博士所說：“金剛石是量子材料與量子技術革命的主要參與者，金剛石的量子未來已來。”
       由中國超硬材料網&DT新材料主辦的第五屆國際碳材料大會暨產業展覽會——金剛石論壇將于2020年11月17-20日在上海跨國采購會展中心拉開帷幕。屆時，元素六將以金剛石在量子前沿領域研究進展為話題，交流金剛石的量子應用，誠邀您共同探索金剛石未來應用前景！

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