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《科学》:科学家成功拦截到2个原子“说悄悄话”探索磁量子相互作用

来源:中央气象台发布时间: 2021-06-10 10:07

原标题:《科学》:科学成功拦截到2个原子说悄悄话探索量子相互作用

  材料的行为取决于无数原子之间的相互作用。你可以把它看成是一场巨大的群聊,原子们在其中不断地交换量子信息。代尔夫特理工大学的研究人员与亚琛工业大学和Research Center Jülich合作,现在已经能够拦截两个原子之间的聊天。5月28日,《科学》发表了这一新发现。

  当然,原子并不是真的在说话,但是它们可以感觉到彼此。磁原子的情况尤其如此。“每个原子都带有一个叫做自旋的小磁矩。这些自旋相互影响,就像当你把它们靠近指南针的针一样。如果你推它们中的一个,它们将开始以一种非常具体的方式一起行动。”该研究团队的领导者桑德·奥特解释说,“但根据量子力学定律,每个自旋可以同时指向不同方向,形成叠加。这意味着量子信息的实际传递发生在原子之间,就像某种对话一样。”

  锋利的针

  在很大程度上,原子之间的这种信息交换可以导致令人着迷的现象。一个经典的例子是超导性:某些材料在临界温度下失去所有电阻率的效应。虽然在最简单的情况下大家都很清楚,但没有人确切知道这种效应是如何在许多复杂的材料中产生的。但可以肯定的是,磁量子相互作用发挥了关键作用。为了解释这样的现象,科学家们对能够拦截这些交流非常感兴趣,想偷听原子间的“对话”。

  在奥特的团队中,他们直接地做到了这一点:真的把两个原子放在一起,看看会发生什么。借助扫描隧道显微镜,一根尖锐的针可以一个一个地探测原子,甚至可以重新排列它们。研究人员使用这种设备将两个钛原子放置在一纳米(百万分之一毫米)以上的距离。在这个距离上,原子只能感受到彼此的自旋。如果转动其中一个,对话就会自动开始。

  通常,这种扭曲是通过向原子发送非常精确的无线电信号来实现的。这种所谓的自旋共振技术——与医院里发现的核磁共振扫描仪的工作原理相当相似——被成功地用于量子位元的研究。代尔夫特团队也可以使用这个工具,但它有一个缺点。《科学》杂志的第一作者、博士生卢卡斯·维尔德曼说:“它实在太慢了。”“你刚刚开始扭动一个,另一个就开始自旋了。这样的话,你永远也无法研究将两个自旋反向放置时会发生什么。”

  非正统方法

  因此,研究人员尝试了一些非正统的方法:他们利用突然爆发的电流,快速地反转两个原子中的一个的自旋。令他们惊讶的是,这种极端的方法产生了一种美丽的量子相互作用,完全符合书中的描述。在脉冲期间,电子与原子碰撞,导致它的自旋旋转。奥特:“但我们一直认为,在这个过程中,微妙的量子信息——即所谓的相干性——会丢失。毕竟,电子是不相干的:每个电子在碰撞前的历史略有不同,这种混沌被转移到原子的自旋中,破坏了任何相干性。”

  事实是,现在看来这似乎不是真的,这引起了一些争论。显然,每一个随机的电子,不管它的过去如何,都可以启动一个相干叠加:一个基本量子态的特定组合,这是完全已知的,它构成了几乎任何形式的量子技术的基础。

  完美叠加

  来自亚琛工业大学和Research Center Jülich的共同作者Markus Ternes说:“问题的关键在于你问的问题。电子使一个原子的自旋反转,使它指向,比如说,向左。你可以把这看作是一种测量,抹去所有的量子存储器。但是从由两个原子组成的组合系统的观点来看,结果所展示的情况根本不是那么普通。对于在一起的两个原子,新的状态构成了完美的叠加,使它们之间的信息交换成为可能。这一现象发生的关键在于两种自旋相互纠缠:这是一种特殊的量子态,在这种量子态中,它们相互分享的信息比经典情况下更多。”

  这一发现对量子比特的研究具有重要意义。也许在那个研究中,你可以在初始化量子态时不用那么小心。但对奥特和他的团队来说,这主要是更美丽实验的起点。维尔德曼:“这里我们使用了2个原子,但如果使用3个原子会发生什么?10个,1000个呢?没人能预料到,因为计算能力不足以应付这样的数字。也许有一天我们能听到以前没人能听到的量子对话。”

  前瞻经济学人APP资讯组

  参考资料:

  https://scitechdaily.com/scientists-overhear-two-atoms-chatting-magnetic-quantum-interactions/