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一场实验室意外爆炸事故,解决了58年量子难题,还登上了Nature

晓查 发自 凹非寺 量子位 报道 | 公众号 QbitAI

“核磁共振”想必大多数人都听过,可是你听说过“核电共振”吗?

早在1961年,核磁共振的先驱、诺贝尔物理学奖获得者Nicolaas Bloembergen就预言了这种现象。

然而直到58年后,在一场实验室的意外爆炸事故中,澳洲的科学家们才验证这个预言。

这群新南威尔士大学科学家的新发现登上了最新一期的Nature,开辟了一种操控原子的新方法,也为基于核自旋的量子计算机技术铺平了道路。

一场实验室意外爆炸事故,解决了58年量子难题,还登上了Nature

操控原子新方法

我们熟知的核磁共振是靠磁场来操控原子、电子的自旋来实现的。

所谓自旋可以把原子或者电子想象成一个高速旋转的陀螺,带电的旋转陀螺就会产生磁场,让原子和电子像一个小磁针,而旋转轴的方向就是磁针的指向。

过去,我们操控这些小磁针指向只能靠强大的磁场,然而制造强磁场需要大电流,而且磁场很难控制在一个狭小的区域内,无法对单个原子进行精确操控。

这就好比我们要晃动台球桌上的某个球,但是不得不晃动整个桌子,其他球也会跟着动起来。而核电共振相当于给你一个台球杆,精确打到你要击中的球。

文章的通讯作者Andrea Morello教授这样解释。

一场实验室意外爆炸事故,解决了58年量子难题,还登上了Nature

△ 论文的3位作者Andrea Morello教授和Vincent Mourik、Serwan Asaad博士

电场可以在微小电极的尖端产生,并且电场强度随着远离尖端而急剧下降,从而把电场控制在一个极小的范围内。

Morello的团队就是在硅纳米电子器件上用尖端产生的电池对单个原子进行控制。

一次偶然的发现

核电共振的研究一蛰伏就是几十年。Morello教授的团队过去一直在研究核磁共振,核电共振并不是他们的研究方向。

起初他们是在锑(Sb)原子核上进行核磁共振。最初的研究目标是探索核自旋的混沌行为所决定的量子世界和经典世界之间的边界。

论文第一作者Serwan Asaad博士说:“这纯粹是一个好奇心驱动的项目,没有考虑应用。”

为了研究锑原子,他们需要制造很强的磁场,所以要向线圈通入大电流,而这个大电流让线圈爆炸了。

如果是在一般情况下,实验等于失败,仪器也报废了。但他们仍然坚持继续对锑原子做实验。

由于线圈被炸毁,没了磁场,却阴差阳错地在锑原子周围产出了一个强大的电场,这个电场让核自旋产生了相干信号,而且退相干时间长达0.1秒,比其他方法高出几个数量级。

一场实验室意外爆炸事故,解决了58年量子难题,还登上了Nature

这让研究人员意识到,他们可能发现了核电共振的现象。

他们的结果也得到了微观理论模型的支持,该模型揭示了存在晶格应变的情况下,核四极相互作用的纯电调制如何导致相干核自旋跃迁。

Morello教授认为,这一具有里程碑意义的发现将未来会有一系列新的应用。

这一发现意味着,我们不用磁场就可以构建基于自旋的量子计算机,另外还可以用它来制造超灵敏的电磁场传感器。

而所有这些都可以集成在硅芯片上,通过向金属电极施加电压来控制。

Morello教授的团队也在朝着这一步迈进,他们计划在2022年研制出一个10量子比特的硅芯片,这是向实现第一台硅量子计算机迈出的第一步。

论文地址:https://arxiv.org/abs/1906.01086

— 完 —

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