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物理学家捕捉到两个原子在“交谈”

  2021-06-01


退相干,是量子物理学家最大的敌人之一。当量子系统与周围的环境发生相互作用时,退相干就会出现,从而可能导致量子效应的丧失。在宏观世界里,系统与环境之间会不可避免地发生相互作用,这也导致了在日常生活中很少发生量子效应。


量子系统与经典系统不同,它们的所有属性并不一定都有明确的定义,比如它们可以同时处于几种状态中,即所谓的叠加态。然而,一旦量子系统被干扰或测量,叠加态就会坍缩成一个确定的状态。在物理学研究中,物理学家通常会选用那些可以更好地屏蔽这些相互作用的量子系统,比如单个原子、电子或光子。但即便如此,它们仍然对环境非常敏感。


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现在,一个由荷兰和德国的物理学家组成的研究团队在《科学》杂志上发表了一项研究,他们用电子轰击了一个由两个耦合原子组成的量子系统,发现这个系统在电子轰击下,仍然能表现出惊人的稳定性。



材料的行为取决于无数原子之间的相互作用,这些相互作用可被视为是原子之间进行的大型“群聊”。通过这样的“交谈”过程,原子之间会不断地交换量子信息。在大尺度上,量子信息的交换可以带来许多有趣的现象,很多不同形式的量子技术都是以交换量子信息为基础的。


当然,原子并不能真的说话,而是通过彼此的自旋来感知对方。自旋是每个原子所具有的微小磁矩,不同原子的自旋会相互影响。当其中的某一个自旋发生改变,所有其他的也将开始以某种具体方式一起改变。


在新研究中,研究人员利用扫描隧道显微镜(STM),对一组钛原子之间的“交谈”进行了研究。钛原子有着要么向上、要么向下的自旋。在实验中,钛原子被束缚在一层氧化镁表面上,这层表面会在接近真空的环境下被冷却到仅为1K的温度。在如此低温下,研究人员可以通过STM辨认出单个原子。


研究人员将两个钛原子以相隔仅约1纳米的距离相邻放置,在这个距离上,两个原子刚好能感受到彼此的自旋。现在,如果扭曲其中一个的自旋,两个原子之间的“对话”就会自动开始。


在通常情况下,物理学家会通过向原子发送非常精确的无线电信号来改变原子的自旋,这是一种被称为自旋共振的技术,已被成功地用于许多量子比特的研究中。然而,这种方法有一个缺点,那就是它实在太慢了——一个原子的自旋才刚刚开始被扭曲,另一个的扭曲也立即开始了,它们之间的相互交流发生得太快,自旋共振技术根本无法捕捉到。


因此在新研究中,研究人员采用了一种新方法,能使他们实时观测到两个耦合的钛原子在相互作用中自由交换量子信息。他们利用了突然爆发的微波脉冲来快速逆转原子对中的一个原子的自旋,从而立即引发相邻原子出现可预测的反应。他们发现,整个过程大约持续了15纳秒。这意味着,新方法成功地捕捉到了这两个原子之间的“交谈”。


据论文的通讯作者Alexander Otte介绍,一直以来,他们以为相干性会在这个过程中丧失,因为发送的电子是不相干的,而且每个电子在碰撞发生之前都有着不同的历史,因此这些混乱会传递到到原子的自旋上,将任何相干性都尽数毁掉。但根据目前的实验结果来看,情况并非如此。



不过,这也引发了一些争议。有科学家认为,这样的结果违反了量子物理学的一个基本原理,即每一次的测量都会不可避免地破坏量子态的叠加。对此,论文的另一位合著者Markus Ternes回应道,问题的关键可能取决于人们的视角:比如当电子使一个原子的自旋逆转时,如果将其视作为一种测量,那么它能抹去所有的量子记忆;但如果是从由两个原子组成的这个组合系统的角度来看,对于这两个原子来说,新的状态构成了完美的叠加态,使它们之间可以进行信息交换。


这一发现或许将对量子计算机的发展产生深远的影响,因为量子计算机的功能就是基于量子态的纠缠和叠加的。它意味着在初始化量子态时,物理学家或许不用像之前以为的那样“小心翼翼”。


不过,Otte也指出,新的实验是一个新的起点,这种研究方法的真正魔力还尚未施展。虽然他们用这种方法观测了两个原子之间的自旋逆转,但每增加一个原子,情况就会变得复杂很多,物理学家们尚无法预测当面对三个、十个、一千个原子时,会发生什么情况,因为目前的计算能力将不足以模拟如此大的数据规模。





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