德比尔斯矿业公司在将近80年前曾宣称：“钻石恒久远”——而在量子时代，这句营销口号正在被赋予新的含义。

让钻石在数千年里成为珠宝珍品的耐久性，如今被科学家加以利用，试图将钻石变成最前沿的传感器：未来它或许能读取脑电波、在没有卫星的情况下实现导航，并更快、更高效地诊断疾病。

这一钻石新时代的到来，依赖于对其长期以来因“完美秩序”而被珍视之美的反向运用。通过在高度有序的晶体结构中人为引入微小缺陷，科学家能够把钻石变成对亚原子量子现象极其敏感的探测器。

钻石令人惊叹的新用途，属于一场更大范围的技术飞跃，基于量子力学这一奇异领域的高精度传感能力革命。

距离德国科学家维尔纳·海森堡建立量子物理数学框架整整一百年后，世界正迈入科学家所称的“第二次量子革命”。

第一次量子革命，是人类对量子行为的理解突破，奠定了电子工业、激光和超导技术的基础；第二次革命，则是对量子过程进行精确操控，从而在计算、加密和传感等领域开启全新的应用空间。

对钻石而言，它自身的量子革命，恰好发生在整个钻石行业陷入危机之际。自新冠疫情以来，天然钻石珠宝的销量大幅下滑，主要原因是来自中国的廉价合成钻石的竞争。在这一严峻背景下，行业中的一些人将“技术钻石”，例如实验室制造的量子钻石——视为新的增长载体。

围绕量子技术的热潮，长期以来主要集中在量子计算机上，人们期待它们具备超越现有最先进计算机的能力。但真正可在短期内落地的，是量子传感器。它们已经开始被应用于医疗成像、超高精度计时和导航等领域。

“激光、半导体和超导体，都是第一次量子革命的产物，而且已经深刻改变了世界。”英国量子物理学家、英国国家量子技术计划战略咨询委员会主席彼得·奈特爵士说。

他同时也是英国国家物理实验室量子计量研究所的主席。“第二次革命在于，我们能够在量子层面从原子物质中获取信息并加以处理——这将带来全新的传感器、全新的计时方式，以及全新的数据通信能力。”

“量子跃迁”这个词长期以来被当作形容技术巨大飞跃的陈词滥调。但量子技术在传感领域的真正力量，并不在于测量巨大的变化，而在于捕捉极其微小的变化。

在物理学中，“量子”最初指的是能量传递的最小单位，或离散的“能量包”。当光或其他辐射照射物体时，能量量子的大小不同，会改变原子中可测量的属性，例如旋转、振动，以及电子的行为。

12月10日颁发的诺贝尔奖，正是一个典型例子。今年的诺贝尔物理学奖，表彰的是一种被称为“量子隧穿”的量子力学效应。它指的是量子粒子有时似乎不会被物理屏障阻挡，而是出现在障碍物的另一侧。用人类经验来类比，就好像一个网球被扔向墙壁，却直接穿墙而过，甚至没有留下洞。

“量子力学是反直觉的。”物理学诺奖得主之一米歇尔·德沃雷，在斯德哥尔摩领奖前几天半开玩笑地说，“它的逻辑与我们日常生活中体验到的逻辑完全不同。”

这些量子过程非常脆弱，容易受到振动、磁场等外部环境因素的干扰而迅速崩溃。因此，它们需要一种坚固的“宿主”材料来保护，同时自身产生的噪声要尽可能小。

这正是钻石登场的地方。作为地球上最坚硬的天然物质，钻石因其由强共价键连接的碳原子晶格而具备极强的抗振动能力。大多数碳原子的原子核本身具有特性，使得钻石内部形成一个磁噪声极低的环境，非常适合量子效应的存在。

钻石的量子特性，部分源于20年前一次偶然的发现。一颗在西伯利亚开采的天然粉钻，被称为“俄罗斯魔石”，被切割后送往世界各地的实验室。它引发了一系列科研论文，揭示了这种钻石在室温下保持量子态的非凡能力。

通过继续采矿来寻找另一颗“魔法钻石”的努力最终失败，但科学家随后掌握了在实验室中制造量子钻石的能力。

其中一颗这样的钻石，位于英国牛津郡哈韦尔科学园区的一间实验室里，由工业钻石制造商 Element Six 运营。这是一颗粉色的小立方体，体积还不到指尖大小，被嵌在一个黑色塑料传感器中。

这颗合成钻石内部，包含所谓的“氮-空位中心”。也就是说，在晶体结构中，原本应由两个碳原子占据的相邻位置，被一个氮原子和一个空位所取代。

真正的量子作用，发生在这个氮-空位中心，涉及其中的电子以及它们所具有的一种可变属性——量子自旋。自旋状态会随着外部施加的电磁场或磁场而改变，有点类似于中学物理实验中，条形磁铁彼此作用时的运动方式。

“你可以把氮-空位中心想象成一个指南针；本质上，这个指南针就是一个磁场传感器。”Element Six 首席技术官丹尼尔·特威钦说。

丹尼尔·特威钦，钻石制造商 Element Six 的首席技术官。丹尼尔·特威钦是走在量子传感革命前沿的少数公司高管之一。在牛津郡哈韦尔科学园区，Element Six 创新中心内进行着工业钻石的生产。

变化之所以可以被探测到，是因为它们会导致氮-空位中心发出更亮或更暗的光，具体取决于电子自旋的状态。这使得量子钻石非常适合检测极其微小的变化。特威钦表示，它对磁场变化的敏感程度，甚至可以探测到一百米外街道上一辆汽车驶过所产生的影响。

这些量子钻石，是通过在生长过程中加入氮元素进行纳米工程制造的，从而形成氮-空位中心。“要制造这种量子钻石，你需要在一百万个分子中只改变一个。”特威钦说。

Element Six 之所以得名，是因为碳在元素周期表中排在第六位。它是少数几家站在量子传感革命最前沿的商业公司之一。

尽管该公司在15年前就制造出了第一颗量子钻石，但直到最近，工艺才足够成熟，能够稳定且以可负担的成本生产（如今一颗量子钻石的售价为几千英镑）。同时，将量子钻石嵌入电子“读取器”的技术，也取得了长足进展。

“到目前为止，很多工作都集中在钻石本身的科学问题上。”特威钦说，“现在真正的关键是，如何把这颗钻石放进系统里，以及围绕它的电子技术如何配合。”

该公司每年通过销售工业钻石获得约3亿美元收入，这些钻石主要用于研磨、抛光和钻头制造。而它押注的未来，是“技术钻石”——包括量子钻石，以及用于激光和半导体的钻石。

“我们正在进入一个全新的合成钻石时代。”Element Six 首席执行官西沃恩·达菲说，“我们看到了巨大的未来机遇。”

一个潜在市场是飞机导航。未来，量子传感器或许可以取代对全球定位系统（GPS）卫星的依赖，而GPS很容易被干扰或欺骗。

“我们已经启动了一个飞机导航领域的试点项目，尝试利用地球磁场进行导航。”科贝说，并指出这可以与现有的卫星导航系统形成互补。

地壳地质勘探，是这项技术的另一个早期应用场景。量子传感器能够读取极其微小的磁场变化，而这些变化往往暗示着矿藏的存在。

从更长远来看，科贝认为量子钻石传感器在脑机接口领域也将大有作为，她估计这一市场未来可能达到50亿美元规模。“我们的愿景是，拥有一种足够小、足够灵敏的传感器，能够测量大脑信号，并将其转化为行动，”她说，“也就是用思想来控制机器。”

但该技术最早期应用的重心，仍然在医疗领域。其中一个正在测试中的潜在用途，是替代心电图（ECG）。目前，心电图需要在患者胸前贴上多个传感器来测量心脏活动；而量子传感医疗设备，只需放置在心脏附近，就能获取同样的信息，无需任何黏贴电极。

另一个极具前景的方向，是利用氮-空位钻石更早地识别引发新冠、艾滋病等疾病的病毒。

科学家发现，量子纳米钻石的效果优于快速抗原检测中常用的金纳米颗粒。后者最为人熟知的形式，就是新冠疫情期间广泛使用的试纸条。

10月发表于《自然·通讯》的一项研究显示，基于纳米钻石的检测方法，其分析灵敏度比现有试剂盒高出约1000倍。这意味着它能够检测到更低浓度的病毒，从而实现更早的诊断，这对于治疗患者和遏制疾病传播都至关重要。

研究人员还在积极探索其他应用场景。这项技术有望服务于多个关键领域，包括医疗健康、粮食安全和国防。

所有这些努力，都站在传感技术非凡进步的最前沿。钻石带来的审美愉悦或许依然“恒久远”，但量子钻石，却能在极短的时间尺度内施展它自己的魔法。