量子谜题 工程师意外破解一个量子谜题 或将颠覆核磁共振

最近，一个实验室发生了一件令人惊讶的事故，引发了物理学上的突破性发现。它的出现不仅解决了一个持续了半个多世纪的问题，而且对量子计算机和传感器的发展产生了巨大的影响。

获得诺贝尔物理学奖激光光谱学奖的核磁共振先驱尼古拉斯·布卢姆伯格在1961年提出了一个想法。他认为我们只有利用电场才能控制单个原子的原子核。然而，多年来，这一目标并没有实现。

直到最近，在《自然》杂志发表的一篇论文中，一个澳大利亚工程师团队宣布，他们出乎意料地实现了这一壮举。

论文通讯作者、量子工程学教授Andrea Morello表示，这一发现动摇了核磁共振的范式:“这一发现意味着我们现在有了一种利用单个原子的自旋来构建量子计算机的方法，这种方法可以在没有任何振荡磁场的情况下运行。此外，我们可以将这些原子核用作极其精确的电场和磁场传感器，或者用它们来回答量子科学中的基本问题。”

论文的三位主要作者:安德里亚·莫雷罗教授、文森特·穆里克博士和塞尔万·阿萨德博士。|图片来源:UNSW

核磁共振是现代物理、化学，甚至医学和采矿中应用最广泛的技术之一。医生可以用它来详细检查病人，采矿业可以用它来分析岩石样本。可以说，核磁共振对于很多应用来说都是非常有效的技术。然而，对于一些特定的应用，依靠磁场来控制和探测原子核是一个缺点。

从应用的角度来看，仅用电场控制核自旋是一个意义深远的突破。磁场的产生需要大线圈和大电流，它们的作用范围往往很广。很难将磁场限制在非常小的空范围内。相反，电场可以在微小电极的尖端产生，并且可以远离电极尖端急剧下降。这一特性使得利用电场控制纳米电子器件中的单个原子变得更加容易。

莫雷罗教授用台球桌的类比来解释磁场和电场控制核自旋的区别:“磁共振成像就像试图通过举起和摇动整个台球桌来移动桌子上的特定台球。除了移动预定的球，所有其他球也将被移动。电共振的突破就像拿着真正的台球杆，只把自己想打的球打到想要的位置。”

回顾发现过程，莫雷罗教授表示，他完全没有意识到自己的团队已经解决了长期困扰物理学家的电场控制核自旋的问题。

莫雷罗教授说:“我研究自旋共振已经有20年了，但说实话，我从未听说过核共振的概念。“我们对这种效应的‘重新发现’纯属偶然，因为我从一开始就没想过要去寻找它。在首次对核电共振的研究尝试被证明是一项具有挑战性的任务后，整个核电共振领域几乎已经休眠了半个多世纪。”

起初，研究人员对锑原子进行核磁共振，锑原子是一种具有大核自旋的元素。这项研究的第一作者Serwan Asaad解释说:“我们最初的目标是探索量子世界和经典世界之间的边界，这是由核自旋的混沌行为决定的。这纯粹是一个好奇心驱动的研究项目，不考虑它的应用。”

然而，当实验开始时，他们很快意识到似乎有些不对劲。他们发现核子的行为非常奇怪——它们会在某些特定频率下拒绝反应，但在其他频率下表现出强烈的反应。

Asaad说:“这让我们困惑了一段时间，直到有一天，我们突然‘闪’了一下，意识到我们在做电共振，而不是磁共振。”

○意境图:利用纳米级电极局部控制硅片中单个锑核的量子态。|图片来源:托尼·梅洛夫/UNSW

他们制造了一个由锑原子和一个特殊天线组成的装置，该装置经过优化，可以产生高频磁场来控制原子核。Asaad说:“因为实验需要很强的磁场，我们给天线注入了大量的能量，然后把它炸了！”

正常情况下，如果实验使用磷等较小的原子核，天线被炸飞时，游戏就结束了——设备不能再用了。但是，在使用锑芯的情况下，实验可以继续进行。他们发现天线被摧毁后，产生的是一个强电场而不是磁场。这直接导致了研究人员对核共振的重新发现。

在展示了用电场控制原子核的能力后，研究人员使用复杂的计算机模型来理解电场如何准确地影响原子核的自旋。这项工作强调了核共振是一种真正的局部和微观现象:电场扭曲了原子核周围的原子键，并使其重新定向。

莫雷罗教授说:“这一里程碑式的成果将打开一个发现和应用的宝库。我们创造的系统足够复杂，足以让我们研究经典世界是如何从量子领域出现的。此外，我们可以利用其量子复杂性来构建灵敏度大大提高的电磁场传感器。所有这些都可以在一个简单的硅电子器件中控制，只需在金属电极上施加一个小电压。”

参考源:

https://news room . UNSW . edu . au/news/science-tech/engineers-crack-58岁-谜题-途径-量子-突破