量子器件制造新突破：港大實現精準打印納米鉆石

近日，香港大學團隊在量子器件制造取得突破，開發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

對物理學家而言，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）晶體結構中最常見的點缺陷，是當前最具代表性的量子體系。NV色心是原子級別的固態設備，作為重要的量子材料，它擁有光學可調的自旋自由度，在固態量子處理器中具有量子比特和量子探測器等核心功能。

現今的量子體系，例如超導量子干涉儀，只能在極低溫（?150°C至絕對零度?273°C）環境下進行操作。由于NV色心在室溫下也具有強力的量子態，這對于實現室溫量子器件尤其重要。

要實現相關應用，對量子技術的一個核心要求是要在集成電路上精準地放置單個NV色心。 這一技術突破將帶動量子計算機、量子通訊和量子生物感知等重要新興領域的發展。

但目前技術阻礙主要包括定位精度粗糙、通量低和工藝復雜等問題。現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，當中包括復雜的“拾取和放置”納米操作方法，效果并不理想。

此次，香港大學工程學院機械工程系博士Ji Tae Kim和電機電子工程系博士褚智勤領導的研究團隊，開發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。相關成果發表在《先進科學》(Advanced Science)，該技術被選為期刊底面的當期精選故事，并已申請美國專利發明。

《先進科學》Advanced Science期刊底面的當期精選研究

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

“當前十分需要一種通用并且靈活的、用于實現納米級精度并兼具優良可擴展性、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。”褚智勤表示，“我們研發的新技術，能體現出亞波長的定位精度、單缺陷級的數量控制水平和自由圖案化的能力，滿足相關的技術要求。這種新穎的方法將為制造量子信息處理器、量子計算器和生物傳感器等量子器件，開拓出一條實用且具經濟效益的出路。”

在量子水平上打印的NV色心，a為共聚焦熒光圖像，b為相應熒光點的二階關聯函數g(2)(τ)，c為每個點所打印的NV色心的數量分布直方圖，圖片來自香港大學

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