量子改性

量子技术领域，加速器在过去十年内一直被大量用于材料改性和表征。基于加速器的技术使用高能离子改变材料原子结构，使科学家能够控制单个原子的行为。加速器的主要用途是离子注入，该技术广泛用于半导体，已有几十年。

“就半导体而言，我们注入大量离子改变例如硅的电性能。”新加坡国立大学副教授Andrew Bettiol解释说，“而对于量子技术，我们的目标截然不同。我们想对离子进行单个控制。我们不是在注入数百万或数十亿个离子，而是在注入一个离子。”

单离子注入方面的挑战是确定何时、何地以及是否确实植入了单个离子。“而且，仅仅因为我们把离子植入材料，并不意味着它的工作方式应该是量子位元或色心，”Bettiol说。量子位元，或称量子比特，是传统计算中使用的信息搭载比特的复合版，而色心是发射光进行量子感应的缺陷。

2021年5月，原子能机构举办了一次为期四天的“离子束应用于材料工程”培训讲习班。讲习班介绍了聚焦离子束仪器和单离子检测。80多名参与者，其中一半来自发展中国家，参加了这次线上讲习班，讲习班是在一个协调研究项目下实施的，旨在提高对量子领域的认识并让新来者参与其中。举办该讲习班的同时，还推出了原子能机构网络课程“量子技术材料的离子束工程”，旨在吸引下一代量子专家。

“原子能机构一直与各国和国际倡议保持一致，站在协调量子技术国际合作、研究和发展的最前沿，”在原子能机构从事加速器工作的核物理学家Aliz Simon说，“原子能机构正在继续努力进行协调研究，使量子更好地造福社会。”预计将在今年晚些时候启动一个新项目，将促进一个基于钻石色心的生物传感器平台的建立和优化，以便探索亚细胞机制。在量子领域，钻石被用作半导体，从而感知单个活细胞中的电场和磁场。

利用色心进行量子传感

最纯净的钻石是一种碳原子晶格，有500多个记录在案的缺陷可以发光。这些已知缺陷之一是氮-空穴色心。当取出一个碳原子制造一个空位，而一个相邻碳原子被一个氮原子取代时，就会出现一个氮-空穴色心。“氮-空穴色心可以自然发生，并且随机分布。利用加速器，我们可以用离子植入法人为地创造这种缺陷，并在纳米级钻石晶体内的特定区域制造缺陷。”Bettiol说。在钻石的已知缺陷中，氮-空穴中心可以嵌入到纳米级钻石晶体中，而且它可以在室温下控制，具有生物相容性，对生命系统无害亦无毒。

钻石氮-空穴中心具有通过光学检测磁共振（ODMR）技术进行磁场感应的能力。对磁场成像的能力对生物学和材料科学都有影响。“这是一种观察光发射和检测生物过程中发生的极微小磁场的光学方法。”Bettiol解释说，“这种量子生物传感技术可用于显示或测量在细胞层面工作并具有极小磁场的过程，例如我们大脑中神经元发射时产生的磁场。”

Bettiol目前的研究将光学检测磁共振技术用于检测疟疾。“感染了疟疾的红血球有微小的磁性颗粒，可以用光学检测磁共振检测。”他说，“任何产生电磁场的东西都有可能用这种方法检测出来。”

原子能机构即将开展的项目将进一步研究使用光学检测磁共振的量子感应，以及传感设备的表征和优化。这个新项目将汇集对生物传感有共同兴趣的研究人员，源于以前的一个项目，该项目范围更广，旨在推进基于加速器的离子束工具。Bettiol说：“原子能机构是一个很好的合作载体，它为专家们创造了一个交流信息和相互学习的平台。”