量子计算作为下一代信息处理技术的制高点，其硬件发展长期受困于材料基础——理想量子比特需要同时具备长相干时间、可扩展性与可寻址性，而现有材料体系难以兼顾。高内应力 sp²–sp³ 杂化碳材料以其独特的结构设计，为这一困境提供了全新的解决方案。本文系统阐述该材料在量子计算机制造中的多重应用潜力：作为超导量子比特的常压「化学压力」平台；作为低噪声量子集成基底；作为可寻址的量子功能单元；以及通过内建 NV 色心实现光电联合测控的独特路径。本文旨在论证，本材料有望成为「量子时代的单晶硅」——一个集量子态发生、演化、读出与热管理于一体的可工程化平台。
当前主流量子计算技术（超导量子比特、离子阱、光量子等）虽然在特定问题上展现出优越性，但其发展普遍面临结构性瓶颈：对原子级有序性和极端环境隔离的苛刻依赖，导致扩展性严重受限；布线、读出与纠错的成本随比特数指数增长；与现实工程系统（高功率、强噪声环境）天然不兼容。其哲学本质在于用「工程手段对抗自然的复杂性」，而非利用自然的复杂性。
与此同时，自然界中存在大量在噪声与无序中稳定工作的量子系统——光合作用中的量子相干能量传输、强关联电子体系中的集体行为、多体局域化与混沌边缘态等。这些系统不追求完美隔离，而依赖结构本征保护。这提示我们：或许存在一条不同于「门模型量子计算」与「传统类脑计算」的第三条路径——利用具有特殊内禀结构的材料体系，在介观尺度上形成高度耦合、可控的相干电子/相位系统，作为一种量子-经典交界区的物理信息处理器。
高内应力 sp²–sp³ 杂化碳材料正是为这一路径而生的候选者。
本材料通过化学键合内生应力机制实现独特的结构与功能集成。
2.1 结构本质：sp²–sp³ 原子级共价互连
本材料由 sp³ 杂化碳相（纳米金刚石骨架）与 sp² 杂化碳相（石墨烯、碳纳米管等）经中低压（0.1–2.0 GPa）原位化学反应烧结而成。化学键合助剂（含 B、Si、Cr 等元素）在烧结过程中于 sp²/sp³ 界面原位反应，形成原子级共价桥接结构（如 Si-C、B-C、Cr-C 键），构建出连续贯通的三维互连网络。这一结构区别于传统机械混合或范德华堆叠的关键在于：sp² 与 sp³ 碳相之间通过强共价键实现「化学焊接」，而非简单物理接触。这使得材料在宏观尺度上兼具金刚石的刚度与石墨烯的导电/导热性能。
2.2 核心创新：锁定的高内生应力场
材料界面区域存在由共价键合、晶格失配及热膨胀差异共同诱导的亚稳态晶格畸变区，形成被长期锁定的残余内生应力场。实验测定表明，该局部残余压应力不低于 5 GPa，优选可达 15–60 GPa 量级。
2.3 宏观性能优势
得益于独特的 sp²–sp³ 互连网络，本材料在室温条件下可实现：电导率≥1×10⁶ S/m；热导率≥500 W/m·K（优选可达 800 W/m·K 以上）；杨氏模量≥500 GPa（优选可达 600–700 GPa）；应力稳定性经加速老化测试，内生应力保留率>90%。
3.1 现有超导量子比特的材料困境
当前超导量子比特（如 Transmon）主要基于铝、铌等金属薄膜的约瑟夫森结构建，其核心问题在于：相干时间受限、集成规模瓶颈、工作环境苛刻（需 mK 级极低温）。与此同时，高温超导体系（如富氢化物 LaH₁₀、H₃S 等）仅能在百吉帕量级的超高外部压力下稳定存在，依赖金刚石对顶砧装置，样品尺寸微小，完全无法工程化应用。
3.2 本材料的独特定位：常压下的「化学压力容器」
本材料内部锁定的 10–60 GPa 内生应力场，为上述困境提供了一个革命性的解决方案：将需要高压稳定的功能相作为客体材料，填充于本材料的孔隙、层间或内部通道中，利用材料本征的内生应力场对客体施加等效于高压环境的压缩作用，从而在宏观常压下稳定其高压相结构与电子态。
3.3 对超导量子比特的意义
若能将具有高临界温度的超导相（如 Tc>77 K）稳定于本材料基体中，则可实现：工作温度提升至液氮温区；本征噪声降低（全碳无磁环境，可经 ¹²C 同位素提纯消除核自旋噪声）；集成密度提高，单个芯片可容纳的潜在比特节点数量大幅增加。
4.1 约瑟夫森结网络的天然载体
本材料可通过微观构型设计，形成类约瑟夫森结阵列的天然结构：插层结构（纳米金刚石与石墨烯层间交替堆叠）；填充结构（纳米金刚石或石墨烯填充于碳纳米管内腔，形成一维受限的同轴异质结构）；畸变界面结构（sp² 与 sp³ 接触界面存在由化学键合诱导的晶格弯曲、起伏或原子级共价钉扎点）。
4.2 无序约瑟夫森网络的量子计算意义
本材料的网络是统计均匀但空间无序的，耦合强度呈连续分布，网络规模天然巨大（10⁶–10⁹+ 个结）。这类系统具有非线性多体动力学、丰富的能级谱、混沌-局域化转变行为，非常适合作为「量子储层」或「物理神经网络」的硬件载体。
4.3 莫尔超晶格与平带工程
本材料的内生非均匀应变场，可模拟并强化扭转石墨烯中的莫尔-金刚石平带效应。通过设计应力梯度分布，在费米能级附近诱导高态密度的平带或准平带，为强关联电子态的调控提供结构基础。
随着量子芯片集成度提升，热管理成为关键瓶颈。超导量子比特的工作温度通常在 10–20 mK，而控制线路会引入显著的热负载。
本材料兼具 sp³ 骨架的超高导热（>500 W/m·K）与 sp² 网络的电学功能，可实现「结构-散热-电学」一体化设计：面内快速热扩散（sp² 碳相可达成 2000 W/m·K 以上）；垂直高效导热（sp³ 金刚石骨架 500–700 W/m·K）；与制冷机热匹配（金刚石热膨胀系数与硅、碳化硅接近）。香港城大吕坚院士团队的研究表明，复合相金刚石（CPD）在接近绝对零度时性能稳定，在<10 K 的低温下实现了 1 mK 的温度测量分辨率。
金刚石中的氮-空位（NV）色心是量子传感领域的明星体系，具有室温下可工作的自旋量子态、对磁场/电场/温度/应力敏感、可通过激光实现自旋极化和读出（ODMR）、相干时间长等特性。
本材料以纳米金刚石为 sp³ 骨架，可在合成过程中原位引入 NV 色心，实现量子功能单元与本征测控能力的集成：磁耦合读取机制（超导电流或局域电子态产生的磁场变化可引起邻近 NV 色心能级的塞曼位移）；并行读取潜力（NV 色心阵列可通过激光扫描实现空间分辨读出）；热管理协同（本材料的高导热特性可迅速将光学读出产生的热量导出）。
实现有效耦合需要将 NV 色心精确定位于超导结的邻近区域（<50 nm），这要求对纳米金刚石中 NV 色心的位置与取向进行精确控制。
7.1 单元化逻辑比特定义
利用微纳刻蚀技术将材料划分为微米级方阵单元。每个单元包含成千上万个纳米约瑟夫森结，通过统计学平均效应和二次逻辑纠错形成稳健的逻辑单元。
7.2 全栈集成架构设想
计算层：sp²–sp³ 互连网络中的超导岛或相干电子团簇；测控层：内嵌于金刚石骨架的 NV 色心阵列；热管理层：材料本身的高导热特性，配合外接微流道液冷系统；互连层：碳纳米管作为量子总线。
7.3 工艺可扩展性
本材料的制备在中低压条件（0.1–2.0 GPa）下完成，可使用放电等离子烧结（SPS）或热压烧结等工业化设备实现克级至公斤级批量制备。
高内应力 sp²–sp³ 杂化碳材料以其独特的「化学键合内生应力」设计，为量子计算机制造开辟了一条全新的技术路径。其核心价值体现在三个层面：
在材料层面，它实现了金刚石刚度与石墨烯导电/导热的原子级协同，同时通过锁定的高内应力场，在常压下构建了一个可等效于高压环境的「化学压力平台」。
在结构层面，它通过插层、填充、畸变界面等微观构型设计，天然形成类约瑟夫森结网络，可作为大规模无序量子网络的物理载体。
在系统层面，它实现了量子功能单元、测控能力（NV 色心）与极端热管理的集成，为构建「计算-存储-读取-散热」一体化的全栈量子芯片提供了可能。
从「对抗自然复杂性」转向「利用自然复杂性」，从「外部保护脆弱的量子态」转向「材料内部制造静默且高压的量子生存空间」。无论最终实现的是宏观长程相干超导、拓扑量子比特，还是量子涌现计算的新范式，本材料都将在量子计算从研究走向应用的进程中扮演关键角色。我们有理由相信，基于同样设计理念的高内应力 sp²–sp³ 杂化碳材料，将成为「量子时代的单晶硅」——一种可设计、可扩展、可工程化的量子硬件基底。