2026年8月17日——阿贡国家实验室的一项新项目汇聚了量子信息科学和高能物理领域的专家，致力于构建基于钻石的量子传感器，能够以前所未有的精度测量电磁场。

要理解宇宙中最小的组成单元如何相互作用，就需要精确理解电磁力如何影响物质。

无论是科学家测量粒子碰撞中产生的物质碎片的动量，还是追踪存储在磁环中的粒子运动的细微变化，他们都需要了解周围的电磁场以及这些场如何随空间和时间变化。即使是极小的不确定性也可能限制实验的精度。

美国能源部（DOE）阿贡国家实验室的一项为期三年、耗资100万美元的新项目，通过结合该实验室的两大优势来应对这一挑战：量子信息科学和粒子物理学。

“这可能是量子革命的又一个前沿……五到十年前，这有点像科幻小说。但现在我们倾向于认为，这些是让这些设备对其他科学家和我们自己有用的切实路径。” — 纳扎尔·德勒甘，阿贡国家实验室科学家

该项目将开发基于钻石材料的新一代量子传感器。这些传感器有望帮助研究人员以前所未有的精度绘制电磁场图谱，同时与下一代加速器无缝集成，这对粒子物理学（又称高能物理）实验至关重要。

“核心思想是，我们有许多高能物理实验，我们正在寻找能够为其中许多实验提供帮助的技术，”阿贡国家实验室物理学家、项目负责人彼得·温特表示。“这些实验的一个共同点是，它们出于各种目的需要磁场。而且它们通常对高精度绘制磁场图谱有严格要求。”

这项工作的核心是钻石中被称为氮空位中心（NV中心）的微小缺陷。当氮原子位于钻石晶体中一个缺失的碳原子旁边时，就会形成这些缺陷，它们的行为就像微小的、被捕获的磁体，具有不同的能量态。其能量态会响应磁场和电场而发生变化。研究人员使用光和微波从中读取信息，使传感器能够以极高的灵敏度测量电磁场。

阿贡国家实验室及其合作者多年来一直在推进钻石中的NV中心技术。现在，研究人员正在对其进行改造，以满足高能物理的需求。

“这里的理想之处在于，我们开发了这个技术上可集成的平台，首次能够将这些量子传感器真正嵌入现有的微电子系统中，”阿贡国家实验室科学家、项目联合负责人纳扎尔·德勒甘表示。“从工程和科学的角度来看，我们拥有广泛的灵活性。”

这种灵活性很重要，因为不同的高能物理实验有不同的需求。有些实验必须在暴露于强辐射的区域中运行；有些实验需要极高的测量精度；还有些实验为仪器设备提供的空间有限。

项目研究人员将追求多个目标，包括构建超高精度NV量子传感器原型和大面积磁场测绘系统。他们还将为设计用于快速变化电磁环境的传感器阵列奠定基础。

首要任务是根据高能物理实验的需求定制钻石材料。随后，科学家将在实验室和实际运行环境中测试这些传感器，包括高磁场和强辐射环境。最后阶段将专注于开发可集成到未来实验中的现场可用原型。

该项目彰显了跨学科研究的力量。量子信息科学和粒子物理学的进展历来沿着各自的路径发展。如今，最初为量子信息应用开发的技术正在医学和国家安全等领域找到日常用途。高能物理也越来越受益于这些进展。

基于钻石的量子传感器天然具有抗辐射能力，使其对严苛环境具有吸引力。其紧凑的尺寸可以减少实验所需的布线和仪器数量，同时它们能够同时测量多个物理量，可为科学家提供更全面的实验条件图景。

这项工作也为学生和早期职业研究人员创造了机会。由于该项目跨越量子信息科学、材料科学、工程学和粒子物理学，参与者将获得跨传统学科界限工作的经验——这是现代科学中日益宝贵的技能。

“令我感到兴奋的一件事是，让一位青年科学家加入进来，他将同时涉足这两个领域，并开始扮演几乎像这两个领域的大使一样的角色，看到这种成长显然令人欣慰，”德勒甘说。

最终，研究人员希望这项技术具有足够的通用性，能够服务于许多不同的实验。

“我们正在寻找一个相当多样化的平台，能够在各种情况下实现这种场测绘，”温特说。

该项目也是让这项技术更广泛地应用于发现科学之外领域的第一步。

“这可能是量子革命的又一个前沿，”德勒甘说。“这些技术现在已经足够先进，我们可以考虑实际应用，甚至可能带来一些商业发展。五到十年前，这有点像科幻小说。但现在我们倾向于认为，这些是让这些设备对其他科学家和我们自己有用的切实路径。”

如果成功，该项目将帮助科学家进行更精确的测量、减少不确定性，并为探索宇宙的基本本质开辟新的可能性——而这一切都源于利用钻石内部微小缺陷的量子特性。