用納米尺度電極控制硅芯片上單個(gè)原子的量子態(tài)（藝術(shù)概念圖）。圖片來(lái)源：UNSW/Tony Melov

撰文 戚譯引

新南威爾士大學(xué)研究團(tuán)隊(duì) 3 月 11 日在《自然》發(fā)文，報(bào)告成功實(shí)現(xiàn)了核電共振，僅使用電場(chǎng)改變單個(gè)原子核的量子態(tài)。這一構(gòu)想最初由諾獎(jiǎng)得主尼古拉斯·布隆伯根（Nicolaas Bloembergen）在 1961 年提出，但此前從未有人實(shí)現(xiàn)。如果核電共振能夠得到廣泛應(yīng)用，它或許將動(dòng)搖磁共振在科研和應(yīng)用中的“壟斷”地位，甚至對(duì)量子計(jì)算機(jī)的研發(fā)產(chǎn)生重要作用。

對(duì)于研究團(tuán)隊(duì)而言，這個(gè)成果完全是個(gè)意外驚喜——此前他們甚至沒(méi)有聽(tīng)說(shuō)過(guò)布隆伯根的設(shè)想，是儀器爆炸讓他們發(fā)現(xiàn)了新的研究方向。

 一次愉快的實(shí)驗(yàn)事故

研究團(tuán)隊(duì)最初的計(jì)劃是對(duì)單個(gè)銻原子進(jìn)行核磁共振。論文共同一作舍爾旺·阿薩德（Serwan Asaad）博士解釋說(shuō)：“我們最初的目標(biāo)是探索量子世界和經(jīng)典世界之間的邊界，而經(jīng)典世界是建立在核自旋混沌行為之上的。這完全是一個(gè)好奇心驅(qū)動(dòng)的項(xiàng)目，我們沒(méi)有計(jì)劃任何應(yīng)用方向。”

“但是實(shí)驗(yàn)開(kāi)始之后，我們發(fā)現(xiàn)有什么地方不太對(duì)。原子核的行為很奇怪，它拒絕對(duì)一些特定的頻率作出回應(yīng)，卻對(duì)其他的頻率作出強(qiáng)烈的反應(yīng)，”另一位共同一作文森特·穆?tīng)柸鹂?/strong>（Vincent Mourik）博士說(shuō)，“我們一度感到很困惑，直到某一刻靈光一現(xiàn)，我們意識(shí)到那是核電共振，不是核磁共振。”

阿薩德博士繼續(xù)說(shuō)：“實(shí)際上，我們制造了一臺(tái)儀器，其中包含一個(gè)銻原子和一根特殊的天線。我們本來(lái)計(jì)劃制造高頻磁場(chǎng)控制原子核。這個(gè)實(shí)驗(yàn)要求磁場(chǎng)達(dá)到很高的強(qiáng)度，所以我們對(duì)天線施加了很大的功率，然后它就爆炸了！”

穆?tīng)柸鹂酥赋?，如果是磷原子那樣比較小的原子核，天線爆炸后儀器肯定就不能用了，“但是我們用的是銻原子，儀器還能繼續(xù)運(yùn)行。而且在爆炸之后天線產(chǎn)生的不是磁場(chǎng)，而是較強(qiáng)的電場(chǎng)。我們‘重新發(fā)現(xiàn)’了核電共振。”

被遺忘的設(shè)想

當(dāng)時(shí)研究團(tuán)隊(duì)還沒(méi)有意識(shí)到，他們首次實(shí)現(xiàn)了諾獎(jiǎng)得主尼古拉斯·布隆伯根在半個(gè)世紀(jì)前提出的設(shè)想。研究通訊作者、UNSW 量子工程學(xué)杰出教授（Scientia Professor）安德里亞·莫萊羅（Andrea Morello）說(shuō)：“我這輩子花了二十年研究自旋共振，但我真沒(méi)聽(tīng)說(shuō)過(guò)核電共振。我們重新發(fā)現(xiàn)了這個(gè)效應(yīng)，完全是出于意外，我從來(lái)沒(méi)想過(guò)要去尋找它。最早進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的嘗試遇到了重重困難，如今整個(gè)核電共振領(lǐng)域已經(jīng)沉睡了超過(guò)半個(gè)世紀(jì)。”

莫萊羅教授、穆?tīng)柸鹂瞬┦恳约鞍⑺_德博士。圖片來(lái)源：UNSW

核電共振的原理與核磁共振相似，都利用了原子的自旋。在原子內(nèi)部，原子核電荷分布受到核自旋影響，沿著核自旋方向形成一個(gè)旋轉(zhuǎn)的橢球體。原子核偏離球形的量產(chǎn)生核電四極矩，核電四極矩同電子產(chǎn)生的電場(chǎng)相互作用即核電四極相互作用。在 1961 年發(fā)表的一篇論文中，尼古拉斯·布隆伯根提出，對(duì)于自旋 I > 1/2、核電四極矩不為零的原子核，在一定條件下可以用共振電場(chǎng)調(diào)節(jié)它的核電四極相互作用，從而改變核自旋。

不過(guò)在當(dāng)時(shí)，核磁共振技術(shù)相比之下要成熟得多，布隆伯根本人就是先驅(qū)之一。早在 20 世紀(jì) 40 年代末，布隆伯根在哈佛大學(xué)讀研究生的時(shí)候，就和導(dǎo)師愛(ài)德華·珀塞爾（Edward Purcell）一同開(kāi)發(fā)核磁共振技術(shù)。到 70 年代初，核磁共振成像儀開(kāi)始用于醫(yī)學(xué)檢查，接下來(lái)它還會(huì)被應(yīng)用到更多的領(lǐng)域。布隆伯根也轉(zhuǎn)向激光光譜學(xué)研究，并因此分享了 1981 年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。核電共振的想法似乎被漸漸遺忘了。

打破核磁共振的“壟斷”

如今，新南威爾士大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)證明能夠用電場(chǎng)改變?cè)雍说淖孕⑹褂糜?jì)算機(jī)建模進(jìn)行了分析。他們證明，原子核電共振是一個(gè)真實(shí)存在的微觀現(xiàn)象：電場(chǎng)扭曲了原子核周圍的鍵，迫使它轉(zhuǎn)向。

用磁場(chǎng)和電場(chǎng)控制原子自旋，有怎樣的差異？莫萊羅用桌球臺(tái)進(jìn)行比喻，他說(shuō)：“磁共振就像舉起整張桌子搖晃它，來(lái)控制某一個(gè)球。我們確實(shí)移動(dòng)能那個(gè)球，但同時(shí)也會(huì)移動(dòng)其他的球。而電共振是一個(gè)突破，這相當(dāng)于給你一支臺(tái)球桿，你能用它精確地把某個(gè)球打到期望的地方?！?/p>

如今磁共振技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、化學(xué)、采礦等領(lǐng)域，而論文作者們指出，如果要在納米尺度上進(jìn)行應(yīng)用，電共振的優(yōu)勢(shì)遠(yuǎn)大于磁共振。磁場(chǎng)的產(chǎn)生通常依靠大型線圈和強(qiáng)大的電流，并且磁場(chǎng)很難被約束在小范圍內(nèi)；相比之下，一個(gè)小型電極的尖端就可能產(chǎn)生很強(qiáng)的電場(chǎng)，并且電場(chǎng)更容易被約束或屏蔽。

研究作者們認(rèn)為，如果將能夠用電場(chǎng)控制的原子核用量子點(diǎn)連接起來(lái)，并實(shí)現(xiàn)規(guī)模化，或許有助于開(kāi)發(fā)出基于原子核自旋和電子自旋的硅量子計(jì)算機(jī)，且不依靠共振磁場(chǎng)運(yùn)行。

“這一發(fā)現(xiàn)意味著我們找到了一種方法，能夠利用單原子自旋制造不依靠共振磁場(chǎng)運(yùn)行的量子計(jì)算機(jī)，”莫萊羅說(shuō)，“我們還能利用原子核作為精度極高的傳感器，用于探測(cè)電場(chǎng)和磁場(chǎng)，甚至回答量子科學(xué)中的基本問(wèn)題?！?/p>

相關(guān)論文：

Asaad, S., Mourik, V., Joecker, B. et al. Coherent electrical control of a single high-spin nucleus in silicon. Nature 579, 205–209 (2020). https:///10.1038/s41586-020-2057-7 

參考來(lái)源：

1. https://newsroom./news/science-tech/engineers-crack-58-year-old-puzzle-way-quantum-breakthrough

2. https://www./articles/550458a