一場(chǎng)實(shí)驗(yàn)室意外爆炸事故，解決了58年量子難題，讓科學(xué)家意外發(fā)現(xiàn)“核電共振”
“核磁共振”想必大多數(shù)人都聽(tīng)過(guò)，可是你聽(tīng)說(shuō)過(guò)“核電共振”嗎？
曉查 發(fā)自 凹非寺
量子位 報(bào)道 | 公眾號(hào) QbitAI
“核磁共振”想必大多數(shù)人都聽(tīng)過(guò)，可是你聽(tīng)說(shuō)過(guò)“核電共振”嗎？
早在1961年，核磁共振的先驅(qū)、諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者Nicolaas Bloembergen就預(yù)言了這種現(xiàn)象。
然而直到58年后，在一場(chǎng)實(shí)驗(yàn)室的意外爆炸事故中，澳洲的科學(xué)家們才驗(yàn)證這個(gè)預(yù)言。
這群新南威爾士大學(xué)科學(xué)家的新發(fā)現(xiàn)登上了最新一期的Nature，開(kāi)辟了一種操控原子的新方法，也為基于核自旋的量子計(jì)算機(jī)技術(shù)鋪平了道路。
操控原子新方法
我們熟知的核磁共振是靠磁場(chǎng)來(lái)操控原子、電子的自旋來(lái)實(shí)現(xiàn)的。
所謂自旋可以把原子或者電子想象成一個(gè)高速旋轉(zhuǎn)的陀螺，帶電的旋轉(zhuǎn)陀螺就會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，讓原子和電子像一個(gè)小磁針，而旋轉(zhuǎn)軸的方向就是磁針的指向。
過(guò)去，我們操控這些小磁針指向只能靠強(qiáng)大的磁場(chǎng)，然而制造強(qiáng)磁場(chǎng)需要大電流，而且磁場(chǎng)很難控制在一個(gè)狹小的區(qū)域內(nèi)，無(wú)法對(duì)單個(gè)原子進(jìn)行精確操控。
這就好比我們要晃動(dòng)臺(tái)球桌上的某個(gè)球，但是不得不晃動(dòng)整個(gè)桌子，其他球也會(huì)跟著動(dòng)起來(lái)。而核電共振相當(dāng)于給你一個(gè)臺(tái)球桿，精確打到你要擊中的球。
文章的通訊作者Andrea Morello教授這樣解釋。
△ 論文的3位作者Andrea Morello教授和Vincent Mourik、Serwan Asaad博士
電場(chǎng)可以在微小電極的尖端產(chǎn)生，并且電場(chǎng)強(qiáng)度隨著遠(yuǎn)離尖端而急劇下降，從而把電場(chǎng)控制在一個(gè)極小的范圍內(nèi)。
Morello的團(tuán)隊(duì)就是在硅納米電子器件上用尖端產(chǎn)生的電池對(duì)單個(gè)原子進(jìn)行控制。
一次偶然的發(fā)現(xiàn)
核電共振的研究一蟄伏就是幾十年。Morello教授的團(tuán)隊(duì)過(guò)去一直在研究核磁共振，核電共振并不是他們的研究方向。
起初他們是在銻（Sb）原子核上進(jìn)行核磁共振。最初的研究目標(biāo)是探索核自旋的混沌行為所決定的量子世界和經(jīng)典世界之間的邊界。
論文第一作者Serwan Asaad博士說(shuō)：“這純粹是一個(gè)好奇心驅(qū)動(dòng)的項(xiàng)目，沒(méi)有考慮應(yīng)用?！?/p>
為了研究銻原子，他們需要制造很強(qiáng)的磁場(chǎng)，所以要向線圈通入大電流，而這個(gè)大電流讓線圈爆炸了。
如果是在一般情況下，實(shí)驗(yàn)等于失敗，儀器也報(bào)廢了。但他們?nèi)匀粓?jiān)持繼續(xù)對(duì)銻原子做實(shí)驗(yàn)。
由于線圈被炸毀，沒(méi)了磁場(chǎng)，卻陰差陽(yáng)錯(cuò)地在銻原子周圍產(chǎn)出了一個(gè)強(qiáng)大的電場(chǎng)，這個(gè)電場(chǎng)讓核自旋產(chǎn)生了相干信號(hào)，而且退相干時(shí)間長(zhǎng)達(dá)0.1秒，比其他方法高出幾個(gè)數(shù)量級(jí)。
這讓研究人員意識(shí)到，他們可能發(fā)現(xiàn)了核電共振的現(xiàn)象。
他們的結(jié)果也得到了微觀理論模型的支持，該模型揭示了存在晶格應(yīng)變的情況下，核四極相互作用的純電調(diào)制如何導(dǎo)致相干核自旋躍遷。
Morello教授認(rèn)為，這一具有里程碑意義的發(fā)現(xiàn)將未來(lái)會(huì)有一系列新的應(yīng)用。
這一發(fā)現(xiàn)意味著，我們不用磁場(chǎng)就可以構(gòu)建基于自旋的量子計(jì)算機(jī)，另外還可以用它來(lái)制造超靈敏的電磁場(chǎng)傳感器。
而所有這些都可以集成在硅芯片上，通過(guò)向金屬電極施加電壓來(lái)控制。
Morello教授的團(tuán)隊(duì)也在朝著這一步邁進(jìn)，他們計(jì)劃在2022年研制出一個(gè)10量子比特的硅芯片，這是向?qū)崿F(xiàn)第一臺(tái)硅量子計(jì)算機(jī)邁出的第一步。
論文地址：
https://arxiv.org/abs/1906.01086
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