抢救矿业公司，英媒炒作：人类将迎“量子钻石”时代

近 80 年前，矿业公司戴比尔斯宣称“钻石恒久远，一颗永流传”——如今，这句营销口号在量子时代有了新的诠释。

这种宝石的耐久性使其在几千年来一直是珠宝制作的热门之选，如今人们正利用这种特性，希望有一天能将其变成最先进的传感器，使我们能够读取脑电波、无需卫星即可导航以及更快、更有效地诊断疾病。

钻石的这个崭新时代依赖于对其长期以来因其美丽而备受推崇的规则性特征的颠覆。通过在高度有序的晶体结构中引入微小的缺陷，科学家们可以将其转化为对亚原子量子现象极其灵敏的探测器。

钻石令人眼花缭乱的新用途，是基于量子力学这一奇妙领域的高规格传感能力的更大飞跃的一部分。

在德国科学家维尔纳·海森堡建立起解释量子物理学的数学框架整整一个世纪之后，世界正迈入科学家们所称的“第二次量子革命”。

第一次革命是对量子行为的理解，它为电子、激光和超导体的工业时代奠定了基础。第二次革命则是精确控制这些量子过程，从而在计算、加密和传感等领域开辟意义深远的新应用。

对于钻石而言，一场属于自身的量子革命正值整个行业陷入危机之际。自新冠疫情爆发以来，天然钻石首饰的销量持续暴跌，这主要是由于来自东方制造的廉价合成钻石的竞争。在这种严峻的背景下，业内一些人士将“科技钻石”（例如实验室制造的量子钻石）视为潜在的增长动力。

人们对量子技术的热情主要集中在研发性能超越现有最先进计算机的量子计算机上。然而，尽管能够胜任各种任务的量子计算机仍需时日，但量子传感器却已近在眼前。它们已被应用于从医学成像到超高精度时钟和导航等领域。

“激光器、半导体和超导体都是第一次量子革命的一部分，而且具有相当大的变革性，”量子物理学家、英国国家量子技术计划战略咨询委员会主席彼得·奈特爵士说。

“第二次革命是能够从原子物质中获取量子层面的信息并进行处理——这将为我们带来新的传感器、新的计时方法和新的数据传输能力，”奈特补充道，他同时也是英国国家物理实验室量子计量研究所的主席。

“量子飞跃”一词长期以来被用作描述技术能力非凡飞跃的陈词滥调。但量子技术在传感领域的强大之处在于，它们能够测量极其微小的变化，而非极其巨大的变化。

物理学中的量子概念最初指的是通过光或其他辐射照射物体而传递的特定能量量——或者说离散的“能量包”。根据能量量子的大小，这种输入可以改变原子中可测量的性质，例如原子的旋转、振动以及电子的行为。

在这个亚微观领域，我们看到量子效应，与我们所体验到的世界中物体的行为相比，这些效应有时显得十分怪异。

12月10日颁发的诺贝尔奖就是一个很好的例子。今年的物理学奖与一种被称为“隧道效应”的量子力学效应有关。它指的是量子粒子有时似乎不受物理屏障的阻挡，而是能够出现在屏障的另一侧。用人类经验来类比，就像把网球扔向墙壁，网球却径直穿过墙壁，没有留下任何痕迹一样。

“量子力学是违反直觉的，”诺贝尔物理学奖共同获得者之一米歇尔·德沃雷在斯德哥尔摩领奖前几天略带讽刺地说道，“它的逻辑与我们日常生活中所体验到的逻辑截然不同。”

这些过程非常脆弱，容易受到振动或磁场等外部环境因素的干扰而迅速失效。这意味着它们需要一种坚固的基底材料来保护，并且这种材料本身产生的噪声要尽可能小。

这就是钻石——地球上最坚硬的天然物质——发挥作用的地方。它之所以能抵抗振动，是因为其由碳原子构成的刚性晶格，这些碳原子通过强大的化学键连接在一起。大多数碳原子都具有其原子核固有的特性，这些特性使得量子效应的发生处于一种磁场“平静”的状态。

钻石的量子特性部分源于20年前的一次偶然发现。一颗产自西伯利亚的天然粉红色钻石，被誉为“神奇的俄罗斯钻石”，被切割后送往世界各地的实验室。它引发了一系列关于其在室温下保持量子态这一非凡能力的科学论文。

通过采矿寻找另一颗“神奇钻石”的努力一无所获，但最终科学家们获得了在实验室中制造量子钻石的能力。

在牛津郡哈维尔科学园区，工业钻石制造商Element Six运营的实验室里，就藏着这样一块石头。它是一个比指尖还小的粉红色小立方体，镶嵌在一个黑色塑料传感器里。

这种合成钻石内部存在所谓的氮空位中心。这意味着晶体中通常由两个碳原子占据的相邻位置，现在则容纳了一个氮原子和一个空位，这两个元素都不存在。

量子作用发生在氮空位中心，与那里的电子及其具有的一种可变属性——量子自旋——有关。这种自旋会根据外部施加的电磁场或磁场而呈现不同的状态，这有点像学校物理实验中条形磁铁相互作用而产生的运动。

“把氮空位中心想象成一个指南针；实际上，这个指南针就是一个磁力传感器，”Element Six 的首席技术专家 Daniel Twitchen 说道。

工业钻石的生产在位于牛津郡哈维尔科技园的Element Six创新中心进行 © Charlie BibbyFT

这些变化之所以可被探测到，是因为它们会导致氮空位中心发出更亮或更暗的光，这取决于电子自旋状态。这使得量子金刚石非常适合探测微小的变化。特维琴说，它对磁场的变化极其敏感，甚至可以探测到百米外建筑物外街道上行驶的汽车。

这些量子钻石是通过在生长过程中添加氮元素进行纳米工程改造的，从而形成氮空位中心。“要制造这种量子钻石，你需要改变每百万个分子中的一个，”特维琴说道。

Element Six 公司之所以得名，是因为碳是元素周期表中的第六个元素，该公司是少数几家引领量子传感革命的商业公司之一。

虽然该公司早在15多年前就制造出了第一颗量子钻石，但直到最近，其生产工艺才得到显著改进，能够可靠且经济地生产出量子钻石（如今一颗量子钻石只需几千英镑即可购得）。此外，将量子钻石嵌入电子“读取器”所需的技术也取得了长足的进步。

“到目前为止，很多工作都集中在钻石科学上，”特维琴说。“现在的关键在于，如何将钻石以及周围的电子元件引入系统？”

该公司每年通过销售工业钻石获得约3亿美元的收入，这些钻石主要用于研磨、抛光和钻头制造。该公司押注“科技钻石”，包括量子钻石以及用于激光器和半导体的钻石，将是其未来的发展方向。

Element Six首席执行官西奥班·达菲表示：“我们正在进入一个全新的合成钻石时代。我们看到了未来巨大的机遇。”

Element Six首席执行官Siobhán Duffy在公司位于哈维尔的基地表示，合成钻石生产的潜力是一个巨大的机遇。 （© Charlie BibbyFT）

量子传感技术在现实生活中是否能像在实验室中一样实用，以及这项技术何时才能实现商业化，这些问题仍然存在很大的疑问。其他材料也能产生有用的、可测量的量子效应。这些材料包括石墨烯（它和金刚石一样，都是碳的一种形式）以及含硅材料。

物理学家奈特表示，钻石的一大优势在于，它可在室温和大气压下使用现成的设备进行加工。“作为一种没有移动部件的固态器件，它具备可扩展产品所需的坚固性。”他说道。

“钻石的制造难度很高，但一旦制造出来，就非常稳定且坚韧，”英国物理学会科学、商业和教育主管路易斯·巴森说道。“缺点是它们很难与硅电子器件互连……这使得它们本质上更适合传感应用，而不是大规模量子计算，但目前有一些很有前景的研究正在努力克服这些障碍。”

Element Six公司的大部分股份由戴比尔斯公司持有，而戴比尔斯公司又是矿业公司英美资源集团（Anglo American）的子公司（比利时优美科集团持有其磨料部门40%的股份）。据研究人员称，Element Six是目前西方最先进的量子钻石制造公司。该领域的其他公司包括总部位于澳大利亚的Quantum Brilliance公司（该公司上个月开设了一家量子钻石铸造厂）以及德国初创公司QuantumDiamonds（该公司为半导体行业生产测试工具）。

与其他前沿科学领域一样，量子钻石的第一个商业突破将在哪里出现，目前还不太清楚。

德国工程集团罗伯特·博世旗下子公司博世量子传感公司的首席执行官卡特琳·科比表示，三年前量子传感团队成立时，她的团队提出了 100 多个可能的应用。

她回忆说，2022年时，量子钻石传感器“占了半个房间，价格相当于一套家庭住宅”。如今，它们只有智能手机大小，成本也下降了。

一个潜在的市场是飞机导航，量子传感器有朝一日可以取代目前对全球定位系统卫星的依赖，因为全球定位系统卫星很容易被欺骗或干扰。

科比说：“我们已经在飞机导航领域启动了一个试点项目，利用地球磁场进行导航。”他还补充说，这可以补充目前基于卫星的导航。

她指出，这样做需要绘制地球磁场图，并获得航空当局的批准。但这项应用可能会改变现状，尤其是在全球日益关注GPS可靠性和脆弱性的当下。

地质勘探是该技术的另一个早期应用案例：量子传感器能够读取磁场的微小变化，从而指示矿藏的存在。

科比认为，从长远来看，量子金刚石传感器对脑机接口将大有裨益，她估计脑机接口市场未来有一天可能达到50亿美元。“我们的愿景是，研发出一种体积小、灵敏度高的传感器，能够测量脑信号并将其转化为行动，”她说，“这样，你就可以用意念控制机器了。”

但这项技术早期应用的主要焦点是医疗领域。目前正在测试的首批潜在用途之一，有望取代心电图（ECG）。心电图是一种常规检查，需要将多个传感器贴在患者胸部以测量心脏输出量。而量子传感医疗设备只需放置在患者心脏附近，即可获取相同的信息，无需使用任何粘性电极。

另一个有前景的领域是利用氮空位金刚石比现有检测方法更早地发现导致新冠肺炎和艾滋病等疾病的病毒。

科学家发现，量子纳米金刚石比用于所谓快速抗原检测的材料（例如金纳米颗粒）效果更好。其中最著名的就是因新冠疫情而广为人知的侧向层析检测试剂盒。

根据10月份发表在《自然通讯》上的一项研究，一种基于纳米金刚石的检测方法展现出比现有试剂盒高约1000倍的分析灵敏度。这意味着它可以检测到浓度更低的病毒，从而实现早期诊断，这对于治疗患者和遏制疾病传播都至关重要。

研究人员正忙于探索其他潜在应用场景。英国诺丁汉大学设立了钻石量子传感研究中心，致力于探索包括追踪危险化学反应和监测碳捕获与封存在内的应用。该中心表示，这项技术对医疗保健、食品安全和国防等诸多关键领域都大有裨益。

所有这些努力都处于传感领域非凡进步的最前沿。钻石的美学魅力或许永恒不变，但量子钻石却能在极短的时间内展现其独特的魔力。

特维琴说：“过去70年，钻石通过切割和钻孔来塑造事物。”但他表示，在接下来的70年里，随着下一场量子革命的展开，钻石将成为“组成部分”。

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