MIT在芯片上打造量子传感器 或将取代GPS

据外媒报道，美国麻省理工学院(MIT)的研究人员首次在硅芯片上打造了一种基于金刚石的量子传感器，从而能够为低成本、可扩展的量子计算、传感和通信硬件铺平道路。

麻省理工学院的研究人员使用传统的制造技术(如图所示)在硅芯片上制造了基于钻石的量子传感器，该技术可以实现低成本的量子硬件。

金刚石中的“氮空位(NV)中心”是一种电子的缺陷，能够被光和微波操纵。作为响应，它们发射出彩色光子，其中携带有有关周围磁场和电场的量子信息，可用于生物传感、神经成像、物体检测和其他传感应用。但是，传统的基于NV的量子传感器大约只有一张厨房桌子那么大，其昂贵的分立元器件限制了其实用性和可扩展性。

在《自然电子》上发表的一篇论文中，研究人员找到了一种方法，使用传统的半导体制造技术，将所有笨重、体积庞大的组件(包括微波发生器、滤光器和光电探测器等)都集成到一个尺寸只有毫米大小的包装中。值得注意的是，该传感器能够在室温下运行，具有检测磁场方向和强度的能力。

研究人员展示了该传感器在磁力计中的用途，这意味着他们能够测量由于周围磁场引起的原子尺度的频率变化，而周围磁场可能会包含有关周围环境的信息。通过进一步完善，该传感器还可用于其他领域，如绘制大脑中的电脉冲图、在漆黑的环境中探测物体等。

电气工程和计算机科学系(EECS)的研究生克里斯托弗·佛伊(Christopher Foy)说：“一般传感器很难阻挡磁场，因此对于量子传感器而言，这是一个巨大的优势。如果有车辆在您下方的地下隧道中行驶，即使您在那儿看不到它，也可以将其检测出来。”

收缩和堆叠

如果金刚石晶格结构中两个相邻位置的碳原子消失，其中一个原子被氮原子取代，另一个位置“缺失”，就会造成NV中心，导致结构中缺失了键，而此类结构中的电子会对周围环境中的电、磁和光学特性的微小变化极其敏感。

NV中心本质上是一个具有原子核和周围电子的原子。它还具有光致发光特性，这意味着它能够吸收并发射彩色光子。扫过整个NV中心的微波可以让其改变状态(正、中性和负)，进而改变其电子的自旋。然后，根据自旋，NV中心又会发出不同数量的红色光子。

一种称为光学检测磁共振(ODMR)的技术可以测量出NV中心与周围磁场相互作用后发射出的光子数量。这种相互作用产生了有关磁场的更多可量化信息。为了实现这一切，传统传感器需要庞大的组件，包括激光器、电源、微波发生器、用于引导光和微波的导体、光学滤波器和传感器以及读数组件。

不过，MIT研究人员开发了一种新型的芯片体系结构，可以使用标准的互补金属氧化物半导体(CMOS)技术，以某种方式定位和堆叠微小的廉价组件，因此新型的芯片体系的功能类似于那些庞大的组件。研究人员说：“ CMOS技术可以在芯片上实现非常复杂的3-D结构， 我们可以在芯片上创建一个完整的系统，并且顶部只需要一块金刚石和绿色激光即可，这可以是常规的芯片级LED。”

金刚板中的NV中心位于芯片的“传感区”中，小型绿色激光器会激发NV中心，同时靠近NV中心放置的纳米线则响应电流而产生扫掠微波。基本来说，激光和微波会配合工作，使NV中心发出不同数量的红色光子，而差值就是研究人员实验中需要的目标信号。

在NV中心下方是一个光电二极管，能够消除噪声并测量光子。在金刚石和光电二极管之间是一个金属光栅，它可以充当过滤器，吸收绿色激光光子，同时允许红色光子到达光电二极管。简而言之，这将能在芯片上启用ODMR器件，该器件可以测量带有周围磁场信息的红色光子的共振频率偏移。

但是，一个芯片如何完成大型计算机的工作?一个关键技巧就是移动产生微波的导线，使其与NV中心保持最佳距离。即使芯片非常小，该精确的距离也可使线电流产生足够的磁场来操纵电子。同时，微波导线和电路在设计中都被考虑在内，而且被紧密集成至芯片中。在他们的论文中，研究人员表示，其设计能够产生足够的磁场，用于目标探测。

只是开始

在今年早些时候，在国际固态电路会议上，研究人员还介绍了第二代传感器，该传感器对其设计进行了各种改进，以实现100倍高的灵敏度。研究人员表示，接下来，他们致力于如何将灵敏度提高1000倍，他们目前已有了基本的路线图：即要扩大芯片的尺寸以增加NV中心的密度，这决定了灵敏度。

如果研发能够成功，该传感器甚至可以用于神经成像应用。这意味着将传感器放在神经元附近，检测激发神经元的强度和方向，从而帮助研究人员绘制神经元之间的联系，并查看哪些神经元相互触发。未来的其他应用还包括替换车辆和飞机的GPS，由于能够很好地绘制出地球磁场，量子传感器就能成为极其精确的指南针，即使在没有GPS的环境中也是如此。

研究人员说：“这只是成就的开始。这是一段漫长的旅程，但是我们已经有了两个里程碑，分别是第一代和第二代传感器。我们计划从传感到通信再到计算。”

哈佛大学高级讲师罗恩·沃尔斯沃思(Ron Walsworth)说：“我对这种量子传感器技术充满热情，并预见了它将在多个领域产生重大影响。他们在量子金刚石传感器与CMOS技术集成方面迈出了关键的一步，其中包括片上微波的产生和传输，以及片上过滤和检测金刚石中量子缺陷中携带信息的荧光灯。下一步将是进一步提高量子金刚石传感器的灵敏度和带宽，并将CMOS金刚石传感器与包括化学分析、NMR光谱和材料表征在内的广泛应用结合起来。”