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 在量子科技浪潮席卷全球的今天，金刚石NV色心（氮-空位色心）以其独特的性质，成为量子计算、量子通信和量子传感领域的关键材料。然而，长期以来，国内高品级量子钻石依赖进口，面临国外技术封锁的“卡脖子”难题。曲阜师范大学高压物理与材料科学研究团队（HPPMS）在刘晓兵教授的带领下，凭借国仪量子ODMR（量子钻石单自旋谱仪）系统的支持，成功研发出性能达到国际领先水平的量子钻石，为我国量子信息技术的自主化注入了新动能。

 

 

解决量子钻石“卡脖子”难题

 

“我们团队是‘高压物理与材料科学研究团队’，简称HPPMS，成立于2018年。”团队成员张晓冉博士后介绍道。在刘晓兵教授的带领下，这支团队从成立之初就将目光投向了量子功能材料领域，特别是功能级金刚石材料的研发。

 

                                                                                                     

 

面对国内在高品级量子钻石被“卡脖子”的技术难题，刘晓兵教授毅然决定要牵头自主开发量子钻石。“国内对高品级量子钻石的需求基本上都依赖国外进口，但随着国际科技竞争越来越激烈，近年来以美国为首的西方国家在功能金刚石方面对我们实施出口限制。”张晓冉说道，正是在这样严峻的形势下，团队开启了量子金刚石的自主研发之路。

 

经过多年深耕，团队在金刚石内部缺陷调控机理方面取得重大突破，成功研发了高温高压条件下无损制备高质量NV色心的技术。基于这项技术，他们完成了一系列量子钻石的开发，包括达到国际领先水平的单色心量子钻石，密度可从1ppm调控到40多ppm的高密度色心量子钻石，以及面向生物传感应用的纳米量子钻石等。

 

技术挑战：为什么NV色心可控制备如此关键

 

 “NV色心作为一种非常优异的固态量子系统，在量子计算、量子通信、量子传感等领域展现出巨大的应用潜力。”张晓冉解释道，“但不同应用场景对色心特性提出了高度差异化的要求。 

具体而言，量子计算、量子网络以及高空间分辨率精密探测等应用需要高相干、可独立操控的单色心；而量子模拟、量子存储以及高灵敏度量子传感等领域则需要高密度高相干的集群NV色心。因此，对NV色心的类型、密度、相干性质及择优取向性等方面的可控制备，成为量子技术从实验室走向实用化的关键挑战之一。

 

国仪量子ODMR，完成上千颗样品的测试表征

 

“ODMR系统可以说是开展NV色心研究的最核心设备。”张晓冉强调，通过ODMR共聚焦荧光mapping采集，可以获取NV色心的类型和密度；通过连续波以及脉冲实验，可以开展NV色心择优取向以及相干性质的表征；在应用研究层面，ODMR系统还可用于样品磁、热、力等物理信号的量子传感。

 

 研究人员操作量子钻石单自旋谱仪（ODMR

 

2022年初，团队开始与国仪量子建立合作，至今已使用其ODMR系统3年半时间。“国仪量子是国际上NV色心相关仪器开发领域的先锋团队。”张晓冉评价道。根据科研需要，团队先后配置了两台ODMR系统，累计完成了上千颗实验样品的表征。

 

技术硬实力配合全流程服务

 

谈到使用体验，张晓冉给出了高度评价：“在硬件层面，这台ODMR系统实现了光学模块、探头模块、微波模块、磁体模块以及控制模块的高度集成，大量节省了实验台空间，同时显著提升了系统稳定性，可以有效控制实验长期运行过程中常见的光路漂移等问题。”

 

软件设计方面同样出色。“用户界面非常简洁，功能分区十分清晰，使我们的科研人员能够快速上手。软件对实验流程的自动化设计，极大简化了操作步骤，提高了实验效率。”

 

量子钻石单自旋谱仪（ODMR）

 

更让团队印象深刻的是国仪量子的技术支持服务。“售前工程师针对设备的不同功能进行细致讲解和实操指导，帮助我们快速掌握设备核心功能；设备运行中遇到问题，公司技术团队总能快速响应并提供解决方案，无论是远程协助调试还是现场维护，都能高效解决问题，保证了实验的顺利开展。”张晓冉表示，“这些实实在在的使用体验让我们深刻感受到公司的技术实力，以及采购国产设备的优势。”

 

突破性成果 刷新国际纪录

 

在国仪量子ODMR系统的助力下，曲阜师范大学团队取得了一系列突破性成果。与国际现有量子钻石相比，他们不仅针对不同应用场景进行定制化开发，构建了更丰富多元的量子钻石体系，更在材料性能上达到了国际领先水平。

 

“例如，我们制备的单色心样品，其自旋相干时间最长可达720μs，光学共振激发光谱最小线宽仅30MHz，相干性能已经实现了天然丰度金刚石的最高水平；对于高密度NV色心量子钻石，密度可达46ppm，这也刷新了NV色心密度的国际纪录。”张晓冉自豪地说道。

 

产业化前景：从实验室走向应用

 

团队的研究成果已开始显现产业化价值。目前，他们在单色心量子钻石、高密度量子钻石等成果已成功实现转化，其他多项技术成果也在稳步推进成果转化进程。“我们希望这些高品质的量子钻石能为国内NV色心量子技术的发展提供坚实的材料支撑。”张晓冉表示。

 

随着NV色心应用技术研究的不断突破，量子钻石的产业化已成必然趋势。团队期待与NV色心应用领域的广大科研工作者积极交流、深入合作，共同推动量子钻石的制备与实际应用场景的精准对接，携手推进我国NV色心量子应用技术的创新与落地。

 

国产高端科学仪器助力科技自立自强

 

曲阜师范大学的量子钻石研究之路，是中国科技自立自强的生动写照。从面临国外技术封锁到实现关键技术突破，从依赖进口设备到使用国产ODMR系统创造世界纪录，这支年轻团队用3年半的时间证明了：国产科研设备不仅能够满足前沿科研需求，更能助力中国科学家在国际舞台上发出强音。