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國(guó)儀量子技術(shù)（合肥）股份有限公司
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曲阜師范大學(xué)HPPMS團(tuán)隊(duì)：攜手國(guó)儀量子ODMR，開(kāi)拓量子鉆石產(chǎn)業(yè)化發(fā)展之路
在量子科技浪潮席卷全球的今天，金剛石NV色心（氮-空位色心）以其獨(dú)特的性質(zhì)，成為量子計(jì)算、量子通信和量子傳感領(lǐng)域的關(guān)鍵材料。然而，長(zhǎng)期以來(lái)，國(guó)內(nèi)高品級(jí)量子鉆石依賴進(jìn)口，面臨國(guó)外技術(shù)封鎖的“卡脖子”難題。曲阜師范大學(xué)高壓物理與材料科學(xué)研究團(tuán)隊(duì)（HPPMS）在劉曉兵教授的帶領(lǐng)下，憑借國(guó)儀量子ODMR（量子鉆石單自旋譜儀）系統(tǒng)的支持，成功研發(fā)出性能達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平的量子鉆石，為我國(guó)量子信息技術(shù)的自主化注入了新動(dòng)能。
解決量子鉆石“卡脖子”難題
“我們團(tuán)隊(duì)是‘高壓物理與材料科學(xué)研究團(tuán)隊(duì)’，簡(jiǎn)稱HPPMS，成立于2018年?！眻F(tuán)隊(duì)成員張曉冉博士后介紹道。在劉曉兵教授的帶領(lǐng)下，這支團(tuán)隊(duì)從成立之初就將目光投向了量子功能材料領(lǐng)域，特別是功能級(jí)金剛石材料的研發(fā)。
面對(duì)國(guó)內(nèi)在高品級(jí)量子鉆石被“卡脖子”的技術(shù)難題，劉曉兵教授毅然決定要牽頭自主開(kāi)發(fā)量子鉆石。“國(guó)內(nèi)對(duì)高品級(jí)量子鉆石的需求基本上都依賴國(guó)外進(jìn)口，但隨著國(guó)際科技競(jìng)爭(zhēng)越來(lái)越激烈，近年來(lái)以美國(guó)為首的西方國(guó)家在功能金剛石方面對(duì)我們實(shí)施出口限制?！睆垥匀秸f(shuō)道，正是在這樣嚴(yán)峻的形勢(shì)下，團(tuán)隊(duì)開(kāi)啟了量子金剛石的自主研發(fā)之路。
經(jīng)過(guò)多年深耕，團(tuán)隊(duì)在金剛石內(nèi)部缺陷調(diào)控機(jī)理方面取得重大突破，成功研發(fā)了高溫高壓條件下無(wú)損制備高質(zhì)量NV色心的技術(shù)?；谶@項(xiàng)技術(shù)，他們完成了一系列量子鉆石的開(kāi)發(fā)，包括達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平的單色心量子鉆石，密度可從1ppm調(diào)控到40多ppm的高密度色心量子鉆石，以及面向生物傳感應(yīng)用的納米量子鉆石等。
技術(shù)挑戰(zhàn)：為什么NV色心可控制備如此關(guān)鍵
“NV色心作為一種非常優(yōu)異的固態(tài)量子系統(tǒng)，在量子計(jì)算、量子通信、量子傳感等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力?！睆垥匀浇忉尩?，“但不同應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)色心特性提出了高度差異化的要求。
具體而言，量子計(jì)算、量子網(wǎng)絡(luò)以及高空間分辨率精密探測(cè)等應(yīng)用需要高相干、可獨(dú)立操控的單色心；而量子模擬、量子存儲(chǔ)以及高靈敏度量子傳感等領(lǐng)域則需要高密度高相干的集群NV色心。因此，對(duì)NV色心的類型、密度、相干性質(zhì)及擇優(yōu)取向性等方面的可控制備，成為量子技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室走向?qū)嵱没年P(guān)鍵挑戰(zhàn)之一。
國(guó)儀量子ODMR，完成上千顆樣品的測(cè)試表征
“ODMR系統(tǒng)可以說(shuō)是開(kāi)展NV色心研究的最核心設(shè)備。”張曉冉強(qiáng)調(diào)，通過(guò)ODMR共聚焦熒光mapping采集，可以獲取NV色心的類型和密度；通過(guò)連續(xù)波以及脈沖實(shí)驗(yàn)，可以開(kāi)展NV色心擇優(yōu)取向以及相干性質(zhì)的表征；在應(yīng)用研究層面，ODMR系統(tǒng)還可用于樣品磁、熱、力等物理信號(hào)的量子傳感。
研究人員操作量子鉆石單自旋譜儀（ODMR）
2022年初，團(tuán)隊(duì)開(kāi)始與國(guó)儀量子建立合作，至今已使用其ODMR系統(tǒng)3年半時(shí)間?！皣?guó)儀量子是國(guó)際上NV色心相關(guān)儀器開(kāi)發(fā)領(lǐng)域的先鋒團(tuán)隊(duì)?！睆垥匀皆u(píng)價(jià)道。根據(jù)科研需要，團(tuán)隊(duì)先后配置了兩臺(tái)ODMR系統(tǒng)，累計(jì)完成了上千顆實(shí)驗(yàn)樣品的表征。
技術(shù)硬實(shí)力配合全流程服務(wù)
談到使用體驗(yàn)，張曉冉給出了高度評(píng)價(jià)：“在硬件層面，這臺(tái)ODMR系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了光學(xué)模塊、探頭模塊、微波模塊、磁體模塊以及控制模塊的高度集成，大量節(jié)省了實(shí)驗(yàn)臺(tái)空間，同時(shí)顯著提升了系統(tǒng)穩(wěn)定性，可以有效控制實(shí)驗(yàn)長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中常見(jiàn)的光路漂移等問(wèn)題。”
軟件設(shè)計(jì)方面同樣出色?！坝脩艚缑娣浅：?jiǎn)潔，功能分區(qū)十分清晰，使我們的科研人員能夠快速上手。軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)流程的自動(dòng)化設(shè)計(jì)，極大簡(jiǎn)化了操作步驟，提高了實(shí)驗(yàn)效率?！?/p>
量子鉆石單自旋譜儀（ODMR）
更讓團(tuán)隊(duì)印象深刻的是國(guó)儀量子的技術(shù)支持服務(wù)。“售前工程師針對(duì)設(shè)備的不同功能進(jìn)行細(xì)致講解和實(shí)操指導(dǎo)，幫助我們快速掌握設(shè)備核心功能；設(shè)備運(yùn)行中遇到問(wèn)題，公司技術(shù)團(tuán)隊(duì)總能快速響應(yīng)并提供解決方案，無(wú)論是遠(yuǎn)程協(xié)助調(diào)試還是現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)，都能高效解決問(wèn)題，保證了實(shí)驗(yàn)的順利開(kāi)展。”張曉冉表示，“這些實(shí)實(shí)在在的使用體驗(yàn)讓我們深刻感受到公司的技術(shù)實(shí)力，以及采購(gòu)國(guó)產(chǎn)設(shè)備的優(yōu)勢(shì)。”
突破性成果 刷新國(guó)際紀(jì)錄
在國(guó)儀量子ODMR系統(tǒng)的助力下，曲阜師范大學(xué)團(tuán)隊(duì)取得了一系列突破性成果。與國(guó)際現(xiàn)有量子鉆石相比，他們不僅針對(duì)不同應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行定制化開(kāi)發(fā)，構(gòu)建了更豐富多元的量子鉆石體系，更在材料性能上達(dá)到了國(guó)際領(lǐng)先水平。
“例如，我們制備的單色心樣品，其自旋相干時(shí)間最長(zhǎng)可達(dá)720μs，光學(xué)共振激發(fā)光譜最小線寬僅30MHz，相干性能已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了天然豐度金剛石的最高水平；對(duì)于高密度NV色心量子鉆石，密度可達(dá)46ppm，這也刷新了NV色心密度的國(guó)際紀(jì)錄?！睆垥匀阶院赖卣f(shuō)道。
產(chǎn)業(yè)化前景：從實(shí)驗(yàn)室走向應(yīng)用
團(tuán)隊(duì)的研究成果已開(kāi)始顯現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化價(jià)值。目前，他們?cè)趩紊牧孔鱼@石、高密度量子鉆石等成果已成功實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)化，其他多項(xiàng)技術(shù)成果也在穩(wěn)步推進(jìn)成果轉(zhuǎn)化進(jìn)程?！拔覀兿Ｍ@些高品質(zhì)的量子鉆石能為國(guó)內(nèi)NV色心量子技術(shù)的發(fā)展提供堅(jiān)實(shí)的材料支撐?！睆垥匀奖硎?。
隨著NV色心應(yīng)用技術(shù)研究的不斷突破，量子鉆石的產(chǎn)業(yè)化已成必然趨勢(shì)。團(tuán)隊(duì)期待與NV色心應(yīng)用領(lǐng)域的廣大科研工作者積極交流、深入合作，共同推動(dòng)量子鉆石的制備與實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景的精準(zhǔn)對(duì)接，攜手推進(jìn)我國(guó)NV色心量子應(yīng)用技術(shù)的創(chuàng)新與落地。
國(guó)產(chǎn)高端科學(xué)儀器助力科技自立自強(qiáng)
曲阜師范大學(xué)的量子鉆石研究之路，是中國(guó)科技自立自強(qiáng)的生動(dòng)寫照。從面臨國(guó)外技術(shù)封鎖到實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)突破，從依賴進(jìn)口設(shè)備到使用國(guó)產(chǎn)ODMR系統(tǒng)創(chuàng)造世界紀(jì)錄，這支年輕團(tuán)隊(duì)用3年半的時(shí)間證明了：國(guó)產(chǎn)科研設(shè)備不僅能夠滿足前沿科研需求，更能助力中國(guó)科學(xué)家在國(guó)際舞臺(tái)上發(fā)出強(qiáng)音。
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