因天線爆炸：諾獎(jiǎng)得主58年前的量子謎題破解

58 年后，核磁共振先驅(qū)的設(shè)想終于得到了印證。

當(dāng)?shù)貢r(shí)間 2020 年 3 月 11 日，《自然》雜志（Nature）刊登了澳大利亞新南威爾士大學(xué)（The University of New South Wales，UNSW）量子工程科學(xué)教授 Andrea Morello 團(tuán)隊(duì)一篇名為 Coherent electrical control of a single high-spin nucleus in silicon（硅中單個(gè)高自旋核的相干電控制）的論文。

雷鋒網(wǎng)了解到，一次實(shí)驗(yàn)中的失誤意外地幫助該研究團(tuán)隊(duì)動(dòng)搖了核磁共振的范式（雷鋒網(wǎng)注：指常規(guī)科學(xué)賴以運(yùn)作的理論基礎(chǔ)和實(shí)踐規(guī)范，是從事某一科學(xué)的研究者群體共同遵從的世界觀和行為方式），實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算機(jī)和傳感器方面的突破。

核磁共振的范式被動(dòng)搖

上述論文中提到了一個(gè)“核自旋”的概念。

我們常說的化學(xué)元素是指具有一定核電荷數(shù)的原子，原子由原子核和繞核運(yùn)動(dòng)的電子組成。所謂核自旋，即原子核自旋角動(dòng)量，其實(shí)是原子核的一個(gè)特性—;—;原子核由質(zhì)子和中子組成，質(zhì)子和中子都有各自確定的自旋角動(dòng)量，它們在核內(nèi)還有軌道運(yùn)動(dòng)，相應(yīng)地有軌道角動(dòng)量，所有這些角動(dòng)量的總和就是原子核的自旋角動(dòng)量。

實(shí)際上，核自旋通過磁共振的控制和檢測被廣泛地利用在各領(lǐng)域，如化學(xué)、醫(yī)學(xué)、材料科學(xué)和采礦。同時(shí)，核自旋也出現(xiàn)在早期的固態(tài)量子計(jì)算機(jī)提案及量子搜索和分解算法的演示中。

雷鋒網(wǎng)了解到，具有不同磁性的物質(zhì)在一定條件下可能出現(xiàn)不同的磁共振，如鐵磁共振、亞鐵磁共振、反鐵磁共振、核磁共振等等。

「核磁共振」想必大部分人都聽說過，如今在醫(yī)學(xué)上核磁共振成像已成為一種常見的影像檢查方式。實(shí)際上，核磁共振技術(shù)對于很多領(lǐng)域而言都非常有效，但與此同時(shí)，對某些特定領(lǐng)域的應(yīng)用而言，它還是存在局限性。

基于此，核磁共振先驅(qū)、諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主 Nicolaas Bloembergen 于 1961 年首次提出了只用電場控制單個(gè)原子核的設(shè)想。半世紀(jì)以來，這一設(shè)想始終未得到印證，直到最近 Andrea Morello 團(tuán)隊(duì)宣布發(fā)現(xiàn)了“核電共振”。

實(shí)際上，這一發(fā)現(xiàn)動(dòng)搖了核磁共振的范式—;—;這是因?yàn)榇艌龅漠a(chǎn)生需要大線圈、大電流，它們的效應(yīng)范圍很廣，很難把磁場限制在非常小的空間里；而電場可產(chǎn)生于一個(gè)微小電極的尖端，能在遠(yuǎn)離電極尖端的位置急劇下降。正如 Andrea Morello 教授所說：

磁共振就像抬起整個(gè)臺(tái)球桌并晃動(dòng)，從而移動(dòng)桌上的一個(gè)球。電共振的突破就像擁有了一根臺(tái)球棒，精準(zhǔn)擊球。

實(shí)驗(yàn)室天線爆炸是成功的關(guān)鍵

就研究的初衷而言，Andrea Morello 教授表示：

半個(gè)多世紀(jì)以來，核電共振領(lǐng)域幾乎處于休眠狀態(tài)。20 年來，我一直在研究自旋共振，其實(shí)我們的這次發(fā)現(xiàn)也完全是偶然。

據(jù) UNSW 官網(wǎng)介紹，研究團(tuán)隊(duì)起初是在銻（Sb，該元素具有很大的核自旋）原子上進(jìn)行核磁共振。該論文作者之一 Serwan Asaad 博士解釋說：

我們最初的目標(biāo)是探索由核自旋的混沌行為所決定的量子世界和經(jīng)典世界之間的邊界，純粹是好奇心驅(qū)動(dòng)，沒有考慮到應(yīng)用。但原子核的反應(yīng)很奇怪，在某些頻率沒有反應(yīng)，但在其他頻率上反應(yīng)強(qiáng)烈。

這無疑讓研究團(tuán)隊(duì)陷入了困惑，直到研究團(tuán)隊(duì)意識(shí)到他們是在做電共振，而非磁共振。

因此，科研人員制造了一個(gè)由銻原子和特殊天線組成的裝置，經(jīng)過優(yōu)化，裝置產(chǎn)生高頻磁場來控制原子核。據(jù)悉，該實(shí)驗(yàn)要求很強(qiáng)的磁場，因此研究人員給天線輸入了很大的功率，于是天線爆炸。

雷鋒網(wǎng)了解到，如果研究團(tuán)隊(duì)的實(shí)驗(yàn)中使用的是磷一類的較小原子核，那么天線被炸毀，就意味著設(shè)備無法使用、游戲結(jié)束。

但這一“失敗”，恰好是成功的關(guān)鍵—;—;由于使用了銻核，天線被毀之后產(chǎn)生了一個(gè)強(qiáng)電場，研究人員由此發(fā)現(xiàn)了核電共振。

為硅量子計(jì)算機(jī)鋪路

在證明了電場控制原子核的能力之后，研究人員利用微觀理論模型，來理解電場如何精確地影響原子核的自旋。

具體來講，上述模型揭示了核電四極相互作用的純電調(diào)制如何導(dǎo)致由于晶格應(yīng)變而唯一可尋址的相干核自旋躍遷。自旋去相位（雷鋒網(wǎng)注：指把相干信號(hào)迅速打散，使得不想要的殘余信號(hào)迅速衰減，從而減少對后面的有用信號(hào)的影響）時(shí)間（0.1 秒）比通過需要耦合電子自旋來實(shí)現(xiàn)電驅(qū)動(dòng)的方法獲得的時(shí)間長幾個(gè)數(shù)量級(jí)。

上述結(jié)果表明，利用全電控制，高自旋四極核可以作為混沌模型、應(yīng)變傳感器，以及自旋-機(jī)械混合量子系統(tǒng)。將電力可控核與量子點(diǎn)集成，可以為可伸縮的、基于核和電子自旋的硅量子計(jì)算機(jī)鋪路，保證其在不需要振蕩磁場的情況下工作。

基于此，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)核電共振是一種真正的局部微觀現(xiàn)象—;—;電場使原子核周圍的原子鍵（雷鋒網(wǎng)(公眾號(hào)：雷鋒網(wǎng))注：一般指由兩個(gè)原子通過共用電子對而產(chǎn)生的一種化學(xué)鍵）重新定向。

Andrea Morello 教授也表示：

這一發(fā)現(xiàn)意味著現(xiàn)在有了一條利用單原子自旋來構(gòu)建量子計(jì)算機(jī)的途徑，不需要任何振蕩磁場來運(yùn)行它們。此外，用這些原子核作為精確的電場和磁場傳感器，可以回答量子科學(xué)中的基本問題。

在該論文中，研究團(tuán)隊(duì)也詳細(xì)演示了使用在硅納米電子器件內(nèi)產(chǎn)生的局部電場對單個(gè)銻核的相干量子控制。

【利用納米尺度的電極局部控制硅片內(nèi)的單個(gè)銻原子核的量子態(tài)，圖源 UNSW 官網(wǎng)】

值得一提的是，Andrea Morello 不僅是新南威爾士大學(xué)量子工程科學(xué)教授，也是悉尼一家依托于新南威爾士大學(xué)的量子計(jì)算和通信先進(jìn)技術(shù)中心的項(xiàng)目經(jīng)理，并于 2017 年 8 月成立了澳大利亞第一家量子計(jì)算公司 Silicon Quantum Computing Pty Ltd，旨在推動(dòng)量子計(jì)算機(jī)的發(fā)展，并實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。

2017 年 9 月，Andrea Morello 團(tuán)隊(duì)發(fā)明了一種基于“自旋翻轉(zhuǎn)型量子比特”的量子計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)，這一發(fā)明也使得大規(guī)模制造量子芯片的成本和難度大幅降低，并在學(xué)術(shù)頂刊《自然.通訊》（Nature Communications）發(fā)表相關(guān)論文。

Andrea Morello 教授等人也曾表示：

我們計(jì)劃到 2022 年研制出一個(gè) 10 量子比特的基于硅基集成電路的芯片，這將是向世界上第一臺(tái)硅量子計(jì)算機(jī)邁出的第一步。