量子器件制造新突破：港大实现精准打印纳米钻石

近日，香港大学团队在量子器件制造取得突破，开发出一种纳米级精度的打印方法，以量子水平打印出金刚石纳米颗粒中的氮-空位色心。

新技术以纳米级精度打印含有NV色心的纳米金刚石，图片来自香港大学

对物理学家而言，钻石作为宝石，其中的瑕疵更具吸引力。氮-空位色心（NV色心）是一种在金刚石（钻石的原石）晶体结构中最常见的点缺陷，是当前最具代表性的量子体系。NV色心是原子级别的固态设备，作为重要的量子材料，它拥有光学可调的自旋自由度，在固态量子处理器中具有量子比特和量子探测器等核心功能。

现今的量子体系，例如超导量子干涉仪，只能在极低温（−150°C至绝对零度−273°C）环境下进行操作。由于NV色心在室温下也具有强力的量子态，这对于实现室温量子器件尤其重要。

要实现相关应用，对量子技术的一个核心要求是要在集成电路上精准地放置单个NV色心。 这一技术突破将带动量子计算机、量子通讯和量子生物感知等重要新兴领域的发展。

但目前技术阻碍主要包括定位精度粗糙、通量低和工艺复杂等问题。现有的几种方案将具有NV色心的纳米金刚石颗粒，定位在各种基板和电路上，当中包括复杂的“拾取和放置”纳米操作方法，效果并不理想。

此次，香港大学工程学院机械工程系博士Ji Tae Kim和电机电子工程系博士褚智勤领导的研究团队，开发了一种纳米级精度的打印方法，以量子水平打印出金刚石纳米颗粒中的NV色心。相关成果发表在《先进科学》(Advanced Science)，该技术被选为期刊底面的当期精选故事，并已申请美国专利发明。

《先进科学》Advanced Science期刊底面的当期精选研究

以往钻石作为最坚硬的材料，因此很难加工。此次研究的新方法足以应对这一难题，团队通过对含有纳米金刚石的亚公升液滴（<10的负18次方升）进行电控的分发，直接将NV色心放置在通用的基底上。

“当前十分需要一种通用并且灵活的、用于实现纳米级精度并兼具优良可扩展性、可控成本以及与广泛的纳米光子电路可兼容的金刚石颗粒定位方法。”褚智勤表示，“我们研发的新技术，能体现出亚波长的定位精度、单缺陷级的数量控制水平和自由图案化的能力，满足相关的技术要求。这种新颖的方法将为制造量子信息处理器、量子计算器和生物传感器等量子器件，开拓出一条实用且具经济效益的出路。”

在量子水平上打印的NV色心，a为共聚焦荧光图像，b为相应荧光点的二阶关联函数g(2)(τ)，c为每个点所打印的NV色心的数量分布直方图，图片来自香港大学