據麥姆斯咨詢介紹，量子態的獨特性能為開發測量磁場、溫度和電場等變量的高靈敏傳感器提供了巨大潛力。不過，至今該技術的應用仍存在局限性，因為量子態（量子比特）需要被孤立和冷卻以優化測量，這對工程人員提出了控制挑戰。金剛石憑借其獨特的性質，或能解決其中的部分挑戰。
Element Six（元素六，E6）公司首席技術專家Daniel Twitchen稱，該公司開發的化學氣相沉積（CVD）金剛石生長工藝，為金剛石在量子領域的應用鋪平了道路。
E6是戴比爾斯（De Beers）旗下企業，于2020年6月開始供應一種通用量子級CVD金剛石。這種特殊的金剛石被稱為DNV-B1，它可作為研究氮空位（NV）系統的一種合適的起始材料，可用于量子演示、脈射器、射頻輻射探測、陀螺儀、傳感以及從無GPS導航到醫療成像等其它新興應用。
Twitchen表示：“金剛石是一種非凡的特殊材料，具有多種特性，可廣泛應用于智能手機加工、汽車制造用高功率激光器以及高端音響系統等領域?，F在，得益于技術的不斷進步，工程級量子位合成金剛石材料正在為下一代量子磁傳感器鋪平道路。”
微波輔助化學氣相沉積法制備的高純度單晶合成金剛石片
金剛石技術
量子力學的進步推動了激光和晶體管等領域的創新。量子技術的下一波浪潮將源于對量子疊加和糾纏等特性的操縱。
然而，極端“脆弱”的量子態帶來了很多挑戰。需要掌控其“脆弱性”以控制錯誤的發生并實現準確測量，充分利用這一令人興奮的技術。理想情況下，需要量子態與其周圍環境隔離，但是，測量往往需要和外部環境存在一定程度的相互作用。
對于這些新的應用，業界正在研究各種不同的技術解決方案，例如俘獲離子、超導體、量子點、光子和半導體缺陷等。俘獲離子很難整合，而超導電路只能在超低溫下工作。Twitchen指出，固態的金剛石很容易集成，解決了一些量子難題，并且它還具有生物相容性，可以提供高空間分辨率的磁成像。此外，它還可以在室溫或體溫下使用，因此不需要大型冷卻設備。
Twitchen說：“科學家和工程師們已經解決了許多挑戰，使這些量子自旋能夠有效地用于原子級磁羅盤，測量比地球磁場低1000倍以上的磁場，空間分辨率接近納米級。從神經元放電到心臟的跳動，幾乎所有要測量的生物系統都與電信號有關。這些電信號都有對應的磁場，并且，它們不會被身體里的水分和皮膚屏蔽。基于這一生物學前提，金剛石的生物相容性為其在制藥和醫學領域開辟了從藥物開發到早期疾病診斷的新應用。”
Twitchen繼續說：“現在，制造超高純度合成金剛石的能力，解鎖了使其成為固態量子位完美宿主材料的潛力。最初在斯圖加特大學和哈佛大學進行的一系列開創性學術研究表明，金剛石NV色心具有的量子自旋，可以在室溫下使用簡單、低成本的光學技術進行操縱和讀出，從而產生特殊的量子特性。”
NV具有對磁場高度敏感的電子自旋，這構成了高靈敏磁力測量的基礎。通過對材料開啟綠色LED并測量發出的紅色熒光強度，可以檢測并對準電子自旋。Twitchen說：“已經證明，NV電子自旋可以在室溫下儲存超過1 s的量子信息。”
Quantum Diamond Technologies（QDTI）公司是一家從哈佛大學獨立出來的初創公司，致力于為需要在早期對蛋白質進行超靈敏檢測的疾病（如心臟病、癌癥和阿爾茨海默氏癥）提供即時診斷。QDTI正在開發金剛石量子系統，利用NV中心支持生物分子檢測的新方法。
尺寸接近鞋盒大小的金剛石量子磁力計
醫療應用
目前，許多醫學成像解決方案，例如用于磁共振成像（MRI）的超導磁體，都需要低溫冷卻系統，因而一般只有在大型醫院或研究機構才可以應用。
Twitchen說，“金剛石磁力計通常利用大量NV中心來提高磁靈敏度，提供更高的空間分辨率，并且，這些都可以在室溫下進行。憑借金剛石的尺寸減小和生物相容性，使傳感器能夠更靠近或接觸生物樣本（例如患者的皮膚）。這些獨特的特性使其理想的適用于很多現代醫療診斷技術，例如心磁圖（MCG），它測量的是心臟中電流產生的磁場。心臟病已成為全球人類死亡的重要誘因之一。因此，低成本、快速響應的金剛石量子磁力計可以幫助醫療專業人員更快、更準確地檢測心臟病，加快診斷速度，減少患者入院時間。”
由于生物樣品具有低磁性，免疫分析也可以用磁性標志物代替熒光標志物進行測量。含有NV中心的金剛石可以通過這種方法提供卓越的磁成像。QDTI已通過寬場金剛石NV磁顯微鏡在大約1平方毫米的視場上證明了單細胞分辨率，成像時間為1分鐘，用于定位磁標記細胞。Twitchen說：“這使得能夠在小型系統中更快的以高靈敏度分離和計數關鍵的生物標志物?！?br />
利用量子金剛石顯微鏡進行單細胞磁成像
Twitchen強調，“用戶的主要興趣不在于技術本身，而在于它的易用性，以及它使我們的日常生活變得更容易、更美好。其目的是釋放金剛石量子傳感器的潛力，使其應用簡單、可靠。金剛石傳感器與現有相關技術的光激勵、控制電路以及讀出電路的高效、穩健集成還需要進一步開發。金剛石工程師面臨的一個主要挑戰是將他們的解決方案集成到現有的支持技術中。技術革命通常要求用戶行為的改變，往往需要足夠顯著的優勢才能推動這種改變。令人興奮的是，在討論的所有潛在應用中，這些概念已經從一個個想法迅速轉變為原型產品，使終端用戶可以對其進行探索和測試。”
Twitchen指出，現在有很多初創公司在利用金剛石處理量子效應，包括NVision、Qnami、QZabre、QDM.IO和QDTI等。
器件開發的另一個障礙是，要充分利用NV缺陷所需要的學習曲線，需要材料、激光、微波和量子領域的全面專業知識。最終的挑戰是通過優化制造和工藝，使其最終量產進入最實際的應用市場。
延伸閱讀：
《傳感器技術和市場趨勢-2020版》
《醫療診斷領域的人工智能-2020版》
