量子技術(shù)領(lǐng)域，加速器在過去十年內(nèi)一直被大量用于材料改性和表征?；诩铀倨鞯募夹g(shù)使用高能離子改變材料原子結(jié)構(gòu)，使科學(xué)家能夠控制單個原子的行為。加速器的主要用途是離子注入，該技術(shù)廣泛用于半導(dǎo)體，已有幾十年。

“就半導(dǎo)體而言，我們注入大量離子改變例如硅的電性能?！毙录悠聡⒋髮W(xué)副教授Andrew Bettiol解釋說，“而對于量子技術(shù)，我們的目標(biāo)截然不同。我們想對離子進(jìn)行單個控制。我們不是在注入數(shù)百萬或數(shù)十億個離子，而是在注入一個離子?！?/p>

單離子注入方面的挑戰(zhàn)是確定何時、何地以及是否確實植入了單個離子?！岸?，僅僅因為我們把離子植入材料，并不意味著它的工作方式應(yīng)該是量子位元或色心，”Bettiol說。量子位元，或稱量子比特，是傳統(tǒng)計算中使用的信息搭載比特的復(fù)合版，而色心是發(fā)射光進(jìn)行量子感應(yīng)的缺陷。

2021年5月，原子能機(jī)構(gòu)舉辦了一次為期四天的“離子束應(yīng)用于材料工程”培訓(xùn)講習(xí)班。講習(xí)班介紹了聚焦離子束儀器和單離子檢測。80多名參與者，其中一半來自發(fā)展中國家，參加了這次線上講習(xí)班，講習(xí)班是在一個協(xié)調(diào)研究項目下實施的，旨在提高對量子領(lǐng)域的認(rèn)識并讓新來者參與其中。舉辦該講習(xí)班的同時，還推出了原子能機(jī)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)課程“量子技術(shù)材料的離子束工程”，旨在吸引下一代量子專家。

“原子能機(jī)構(gòu)一直與各國和國際倡議保持一致，站在協(xié)調(diào)量子技術(shù)國際合作、研究和發(fā)展的最前沿，”在原子能機(jī)構(gòu)從事加速器工作的核物理學(xué)家Aliz Simon說，“原子能機(jī)構(gòu)正在繼續(xù)努力進(jìn)行協(xié)調(diào)研究，使量子更好地造福社會?！鳖A(yù)計將在今年晚些時候啟動一個新項目，將促進(jìn)一個基于鉆石色心的生物傳感器平臺的建立和優(yōu)化，以便探索亞細(xì)胞機(jī)制。在量子領(lǐng)域，鉆石被用作半導(dǎo)體，從而感知單個活細(xì)胞中的電場和磁場。

利用色心進(jìn)行量子傳感

最純凈的鉆石是一種碳原子晶格，有500多個記錄在案的缺陷可以發(fā)光。這些已知缺陷之一是氮-空穴色心。當(dāng)取出一個碳原子制造一個空位，而一個相鄰碳原子被一個氮原子取代時，就會出現(xiàn)一個氮-空穴色心?！暗?空穴色心可以自然發(fā)生，并且隨機(jī)分布。利用加速器，我們可以用離子植入法人為地創(chuàng)造這種缺陷，并在納米級鉆石晶體內(nèi)的特定區(qū)域制造缺陷?！盉ettiol說。在鉆石的已知缺陷中，氮-空穴中心可以嵌入到納米級鉆石晶體中，而且它可以在室溫下控制，具有生物相容性，對生命系統(tǒng)無害亦無毒。

鉆石氮-空穴中心具有通過光學(xué)檢測磁共振（ODMR）技術(shù)進(jìn)行磁場感應(yīng)的能力。對磁場成像的能力對生物學(xué)和材料科學(xué)都有影響?！斑@是一種觀察光發(fā)射和檢測生物過程中發(fā)生的極微小磁場的光學(xué)方法?！盉ettiol解釋說，“這種量子生物傳感技術(shù)可用于顯示或測量在細(xì)胞層面工作并具有極小磁場的過程，例如我們大腦中神經(jīng)元發(fā)射時產(chǎn)生的磁場?！?/p>

Bettiol目前的研究將光學(xué)檢測磁共振技術(shù)用于檢測瘧疾?！案腥玖睡懠驳募t血球有微小的磁性顆粒，可以用光學(xué)檢測磁共振檢測?！彼f，“任何產(chǎn)生電磁場的東西都有可能用這種方法檢測出來?！?/p>

原子能機(jī)構(gòu)即將開展的項目將進(jìn)一步研究使用光學(xué)檢測磁共振的量子感應(yīng)，以及傳感設(shè)備的表征和優(yōu)化。這個新項目將匯集對生物傳感有共同興趣的研究人員，源于以前的一個項目，該項目范圍更廣，旨在推進(jìn)基于加速器的離子束工具。Bettiol說：“原子能機(jī)構(gòu)是一個很好的合作載體，它為專家們創(chuàng)造了一個交流信息和相互學(xué)習(xí)的平臺?！?/p>