金融时报报道说，近80年前，矿业公司戴比尔斯开始喊“钻石恒久远”。如今，这句经典的营销口号在量子时代获得了全新的意义。
钻石因其坚固耐用，自古以来被视为珍贵的珠宝，如今这一特性被用来开发先进传感器，有朝一日可用于读取脑电波、在没有卫星的情况下导航、以及更快速、更有效地诊断疾病。
这种以钻石为核心的新纪元，恰恰依赖于与传统美学价值相反的特性。科学家通过在钻石高度有序的晶体结构中引入微小缺陷，打造成对亚原子量子现象极为敏感的探测器。
钻石具有这项令人瞩目的新用途，是因为量子力学领域在高精度感测技术上的一次全面飞跃。
整整一百年前，德国科学家海森堡建立了解释量子物理的数学框架。如今，科学界正迈入所谓的“第二次量子革命”。
第一次革命是对量子行为的理解，为电子技术、激光器和超导体等工业时代成果奠定了基础。第二次革命则是精确控制这些量子过程，从而在计算、加密和感测等领域带来深远的新应用。
钻石在量子革命中的地位提升，正值传统钻石行业陷入危机之际。自新冠疫情以来，天然钻石首饰销售大幅下滑，主要原因是中国生产的廉价合成钻石带来的竞争。
在这一严峻背景下，业内一些人士将“技术钻石”——即在实验室中制造的量子钻石，视为潜在的增长突破口。
在量子技术的讨论中，人们普遍聚焦于量子计算机，据说将具备远超现有最先进计算机的能力。尽管真正适用的量子计算机尚需时日，但量子传感器的应用已近在眼前，并已被用于从医学成像到超高精度时钟和导航等多个领域。
“激光器、半导体和超导体都是第一次量子革命的一部分，的确改变了世界，”英国国家量子技术计划战略咨询委员会主席、量子物理学家彼得·奈特爵士表示。“第二次革命的核心，是从原子物质中获取量子层级的信息并进行处理——这将带来新的传感器、新的计时能力和新的数据通信方式。”
奈特还担任英国国家物理实验室量子计量研究所主席。
“量子飞跃”这个概念，长期以来被用作描述科技能力突飞猛进的套话。但事实上，量子技术在感测方面的强大之处，不在于测量巨大变化，而在于能捕捉极其微小的变化。
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物理学中“量子”的概念最初是指特定数量的能量——或离散的“能量包”，通过光或其他形式的辐射传递给物体。当能量量子达到一定规模时，它可以改变原子的可测属性，比如自旋、振动，或电子的行为。
在这个亚显微的领域里，量子效应常常呈现出与人类日常经验完全不同的“怪异”行为。
12月10日颁发的诺贝尔奖就是一个典型例子。今年的物理学奖颁给了研究一种名为“隧穿效应”的量子力学现象的科学家。这一现象指的是，量子粒子有时似乎不会被物理屏障阻挡，而是能“穿越”障碍出现在另一侧。
如果用人类的经验类比，就好比一颗网球被扔向墙壁后直接穿墙而过，而墙上并未留下任何孔洞。
“量子力学是反直觉的，”物理学奖共同得主米歇尔·德沃雷在斯德哥尔摩领取奖项前几天轻描淡写地说，“逻辑与我们日常生活中所经历的逻辑完全不同。”
这些量子过程非常脆弱，容易受到外部环境因素的干扰，例如震动或磁场。这就意味着它们需要一个坚固的载体材料来保护这些过程发生，同时本身又不会产生太多“噪音”。
这正是地球上最坚硬的天然物质，钻石能发挥作用的地方。钻石拥有刚性的碳原子晶格结构，原子间通过强有力的化学键连接，因此具备抗震能力。大多数碳原子本身的核特性也让钻石成为量子效应发生时磁场干扰极小的环境。
钻石的量子特性部分源于20年前一个偶然发现。一颗产自西伯利亚的天然粉钻被命名为“神奇的俄罗斯”，被切割后送往全球各地的实验室，引发大量科学论文，研究其在室温下维持量子态的异常能力。
尽管人们曾尝试通过采矿找到另一颗“神奇钻石”但均未成功，最终科学家在实验室中掌握了制造量子钻石的能力。
其中一颗实验室钻石位于英格兰牛津郡哈威尔科研园区，由工业钻石制造商Element Six运营的实验室中。这是一颗小巧的粉红色立方体，尺寸小于指尖，嵌入在一个黑色塑料传感器中。
这颗合成钻石内部有一个所谓的“氮-空位中心”，即晶体中本应由两个碳原子占据的位置，一个被氮原子替代，另一个则为空缺。
量子效应就发生在这个“氮-空位中心”，涉及其中的电子及其名为“量子自旋”的可变属性。自旋状态会因外加电磁或磁场而变化，有点像物理课上条形磁铁因相互作用而改变方向。
“可以把氮-空位中心想象成一个指南针；实际上这个指南针就是一个磁力传感器。”Element Six首席技术官丹尼尔·特维奇恩说。
氮-空位中心中电子自旋状态的变化，会让其发出更亮或更暗的光，从而能被探测到。这种特性使得量子钻石特别适合探测极其微小的变化。特维奇恩表示，量子钻石对磁场变化如此敏感，以至于可以探测到大楼外100米远处一辆汽车驶过。
这些量子钻石通过在生长过程中引入氮元素进行纳米工程处理，从而形成氮-空位中心。
“制造这种量子钻石需要在一百万个分子中改变一个。”特维奇恩说。
注：在制造量子钻石的过程中，科学家需要对钻石的结构进行极其微小、精准的改造。在钻石晶体中每一百万个碳原子所构成的位置中，选择其中一个，将其中一个碳原子换成氮原子，并在旁边故意制造一个空位（即缺少一个原子），从而形成所谓的“氮-空位中心”（nitrogen-vacancy center）。
Element Six的公司，名取自碳在元素周期表中的第六序号，是少数处于量子传感革命前沿的商业公司之一。
尽管公司早在15年前就制造出第一颗量子钻石，但直到最近，生产工艺才足够成熟，能够实现可靠且相对低成本的生产（目前一颗量子钻石售价为几千英镑）。将量子钻石嵌入电子“读取器”的相关技术也取得了重大进展。
“到目前为止，大家关注的主要还是钻石本身的科学。”特维奇恩说，“现在的关键在于，我如何把这颗钻石放进系统，以及如何整合周围的电子元件。”
公司每年通过销售工业钻石获得约3亿美元收入，这些钻石主要用于打磨、抛光和钻头等领域。而公司正大力投资“技术钻石”，包括量子钻石以及用于激光器和半导体的钻石，认为这将成为未来发展方向。
“我们正进入一个合成钻石新时代。”Element Six首席执行官希奥班·达菲表示，“我们看到巨大的发展潜力。”
不过，量子传感是否能像实验室中那样在现实中发挥作用，以及这项技术何时具备商业可行性，仍有很多疑问。其他材料也能产生可测量的量子效应，例如与钻石同属碳元素的石墨烯，以及含硅材料。
但钻石的一大优势是可以在室温和常压下、使用常规设备进行操作。物理学家奈特指出：“这是固态设备，没有活动部件，这种坚固性对于实现可扩展的产品至关重要。”
“钻石制造困难，但一旦制造出来就非常稳定耐用。”英国物理学会科学、商业与教育事务主管路易斯·巴森说。“问题在于它们难以与硅基电子元件互联……更适合用于传感，而不是用于大规模量子计算。不过，现在已有有前景的研究在解决这一障碍。”
据研究人员称，Element Six主要由戴比尔斯持有，而戴比尔斯是矿业公司英美资源集团的一部分（比利时集团优美科持有其磨料部门40%的股份），是西方最先进的量子钻石制造商。
其他活跃公司还包括澳大利亚的Quantum Brilliance，该公司上个月刚开设了量子钻石铸造厂，以及德国初创公司QuantumDiamonds，专门制造半导体行业测试工具。
和其他前沿科技领域一样，量子钻石的首个商业突破点目前仍不明确。
德国工程集团博世旗下子公司Bosch Quantum Sensing的首席执行官卡特琳·科贝表示，三年前成立量子部门时，她的团队曾提出过100多个潜在应用方向。
她回忆说，2022年时的量子钻石传感器“占据了半个房间，成本相当于一套家庭住房”。而如今，尺寸已缩小至智能手机大小，成本也显著下降。
航空导航可能是一个潜在市场。未来，量子传感器有望取代现有对全球定位系统（GPS）卫星的依赖，后者易被干扰或欺骗。
“我们已在航空导航领域启动了一项试点项目，尝试利用地球磁场导航。”科贝说，并指出这项技术可作为对当前基于卫星导航的补充。
她表示，这项应用的实现还需要绘制地磁图并获得航空管理机构的批准。但在全球日益担忧GPS系统安全性的背景下，这种方案可能具有颠覆意义。
地壳地质勘探是另一项早期应用案例：量子传感器可以读取极微小的磁场变化，指示矿产沉积位置。
从长期来看，科贝认为量子钻石传感器将在脑机接口领域具备巨大潜力，估计未来市场规模可达50亿美元。
“我们的愿景是，传感器足够小、足够灵敏，能够读取大脑信号并转化为动作。”她说，“你将可以用意念控制机器。”
但目前技术的早期应用仍主要集中在医疗领域。首批潜在用途之一正处于测试阶段，有望替代心电图（ECG）检测——这一传统程序需在病人胸前贴多个传感器以测量心脏输出。而量子传感医疗设备只需靠近病人心脏，无需粘贴电极，就能获得相同信息。
另一项前景看好的应用是利用氮-空位钻石，更早检测出导致新冠和艾滋病等疾病的病毒。
研究人员发现，量子纳米钻石的检测效果，优于所谓的快速抗原测试所用的金纳米颗粒。最广为人知的例子就是新冠期间使用的试纸盒。
《自然通讯》今年10月发表的研究显示，基于纳米钻石的测试方法在分析灵敏度方面约为现有检测试剂的1000倍。这意味着可以检测到病毒浓度更低的早期感染，有助于更早治疗患者并遏制疾病传播。
研究人员还在积极探索其他潜在应用。英国诺丁汉大学设立了“钻石量子传感研究中心”，研究方向包括监测危险化学反应、碳捕集与封存等。该中心表示，这项技术可广泛应用于医疗、食品安全、国防等关键领域。
在传感领域的突破性进展中，钻石不仅保留了它令人赞叹的审美价值，如今还能够在极短时间内展现“量子魔力”。
“过去70年里，钻石通过切割和钻探来‘塑造’其他事物。”特维奇恩说，“而在接下来的70年里，钻石将成为‘组件’，见证下一轮量子革命的到来。”