一場實驗室意外爆炸事故，解決了58年量子難題，讓科學家意外發現“核電共振”

曉查 2020-03-18 13:10:18 來源：量子位

“核磁共振”想必大多數人都聽過，可是你聽說過“核電共振”嗎？

曉查發自凹非寺
量子位報道 | 公眾號 QbitAI

“核磁共振”想必大多數人都聽過，可是你聽說過“核電共振”嗎？

早在1961年，核磁共振的先驅、諾貝爾物理學獎獲得者Nicolaas Bloembergen就預言了這種現象。

然而直到58年后，在一場實驗室的意外爆炸事故中，澳洲的科學家們才驗證這個預言。

這群新南威爾士大學科學家的新發現登上了最新一期的Nature，開辟了一種操控原子的新方法，也為基于核自旋的量子計算機技術鋪平了道路。

操控原子新方法

我們熟知的核磁共振是靠磁場來操控原子、電子的自旋來實現的。

所謂自旋可以把原子或者電子想象成一個高速旋轉的陀螺，帶電的旋轉陀螺就會產生磁場，讓原子和電子像一個小磁針，而旋轉軸的方向就是磁針的指向。

過去，我們操控這些小磁針指向只能靠強大的磁場，然而制造強磁場需要大電流，而且磁場很難控制在一個狹小的區域內，無法對單個原子進行精確操控。

這就好比我們要晃動臺球桌上的某個球，但是不得不晃動整個桌子，其他球也會跟著動起來。而核電共振相當于給你一個臺球桿，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

電場可以在微小電極的尖端產生，并且電場強度隨著遠離尖端而急劇下降，從而把電場控制在一個極小的范圍內。

Morello的團隊就是在硅納米電子器件上用尖端產生的電池對單個原子進行控制。

核電共振的研究一蟄伏就是幾十年。Morello教授的團隊過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）原子核上進行核磁共振。最初的研究目標是探索核自旋的混沌行為所決定的量子世界和經典世界之間的邊界。

論文第一作者Serwan Asaad博士說：“這純粹是一個好奇心驅動的項目，沒有考慮應用。”

為了研究銻原子，他們需要制造很強的磁場，所以要向線圈通入大電流，而這個大電流讓線圈爆炸了。

如果是在一般情況下，實驗等于失敗，儀器也報廢了。但他們仍然堅持繼續對銻原子做實驗。

由于線圈被炸毀，沒了磁場，卻陰差陽錯地在銻原子周圍產出了一個強大的電場，這個電場讓核自旋產生了相干信號，而且退相干時間長達0.1秒，比其他方法高出幾個數量級。

這讓研究人員意識到，他們可能發現了核電共振的現象。

他們的結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變的情況下，核四極相互作用的純電調制如何導致相干核自旋躍遷。

Morello教授認為，這一具有里程碑意義的發現將未來會有一系列新的應用。

這一發現意味著，我們不用磁場就可以構建基于自旋的量子計算機，另外還可以用它來制造超靈敏的電磁場傳感器。

而所有這些都可以集成在硅芯片上，通過向金屬電極施加電壓來控制。

Morello教授的團隊也在朝著這一步邁進，他們計劃在2022年研制出一個10量子比特的硅芯片，這是向實現第一臺硅量子計算機邁出的第一步。

論文地址：
https://arxiv.org/abs/1906.01086