因天線爆炸:諾獎得主58年前的量子謎題破解

58 年後，核磁共振先驅的設想終於得到了印證。

當地時間 2020 年 3 月 11 日，《自然》雜誌（Nature）刊登了澳大利亞新南威爾斯大學（The University of New South Wales，UNSW）量子工程科學教授 Andrea Morello 團隊一篇名為 Coherent electrical control of a single high-spin nucleus in silicon（矽中單個高自旋核的相干電控制）的論文。

雷鋒網了解到，一次實驗中的失誤意外地幫助該研究團隊動搖了核磁共振的範式（雷鋒網註：指常規科學賴以運作的理論基礎和實踐規範，是從事某一科學的研究者群體共同遵從的世界觀和行為方式），實現量子計算機和傳感器方面的突破。

核磁共振的範式被動搖

上述論文中提到了一個「核自旋」的概念。

我們常說的化學元素是指具有一定核電荷數的原子，原子由原子核和繞核運動的電子組成。所謂核自旋，即原子核自旋角動量，其實是原子核的一個特性——原子核由質子和中子組成，質子和中子都有各自確定的自旋角動量，它們在核內還有軌道運動，相應地有軌道角動量，所有這些角動量的總和就是原子核的自旋角動量。

實際上，核自旋通過磁共振的控制和檢測被廣泛地利用在各領域，如化學、醫學、材料科學和採礦。同時，核自旋也出現在早期的固態量子計算機提案及量子搜索和分解算法的演示中。

雷鋒網了解到，具有不同磁性的物質在一定條件下可能出現不同的磁共振，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，如今在醫學上核磁共振成像已成為一種常見的影像檢查方式。實際上，核磁共振技術對於很多領域而言都非常有效，但與此同時，對某些特定領域的應用而言，它還是存在局限性。

基於此，核磁共振先驅、諾貝爾物理學獎得主 Nicolaas Bloembergen 於 1961 年首次提出了只用電場控制單個原子核的設想。半世紀以來，這一設想始終未得到印證，直到最近 Andrea Morello 團隊宣布發現了「核電共振」。

實際上，這一發現動搖了核磁共振的範式——這是因為磁場的產生需要大線圈、大電流，它們的效應範圍很廣，很難把磁場限制在非常小的空間裡；而電場可產生於一個微小電極的尖端，能在遠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撞球桌並晃動，從而移動桌上的一個球。電共振的突破就像擁有了一根撞球棒，精準擊球。

實驗室天線爆炸是成功的關鍵

就研究的初衷而言，Andrea Morello 教授表示：

半個多世紀以來，核電共振領域幾乎處於休眠狀態。20 年來，我一直在研究自旋共振，其實我們的這次發現也完全是偶然。

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

我們最初的目標是探索由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，純粹是好奇心驅動，沒有考慮到應用。但原子核的反應很奇怪，在某些頻率沒有反應，但在其他頻率上反應強烈。

這無疑讓研究團隊陷入了困惑，直到研究團隊意識到他們是在做電共振，而非磁共振。

因此，科研人員製造了一個由銻原子和特殊天線組成的裝置，經過優化，裝置產生高頻磁場來控制原子核。據悉，該實驗要求很強的磁場，因此研究人員給天線輸入了很大的功率，於是天線爆炸。

雷鋒網了解到，如果研究團隊的實驗中使用的是磷一類的較小原子核，那麼天線被炸毀，就意味著設備無法使用、遊戲結束。

但這一「失敗」，恰好是成功的關鍵——由於使用了銻核，天線被毀之後產生了一個強電場，研究人員由此發現了核電共振。

為矽量子計算機鋪路

在證明了電場控制原子核的能力之後，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製如何導致由於晶格應變而唯一可尋址的相干核自旋躍遷。自旋去相位（雷鋒網註：指把相干信號迅速打散，使得不想要的殘餘信號迅速衰減，從而減少對後面的有用信號的影響）時間（0.1 秒）比通過需要耦合電子自旋來實現電驅動的方法獲得的時間長几個數量級。

上述結果表明，利用全電控制，高自旋四極核可以作為混沌模型、應變傳感器，以及自旋-機械混合量子系統。將電力可控核與量子點集成，可以為可伸縮的、基於核和電子自旋的矽量子計算機鋪路，保證其在不需要振蕩磁場的情況下工作。

基於此，研究團隊發現核電共振是一種真正的局部微觀現象——電場使原子核周圍的原子鍵（雷鋒網(公眾號：雷鋒網)註：一般指由兩個原子通過共用電子對而產生的一種化學鍵）重新定向。

Andrea Morello 教授也表示：

這一發現意味著現在有了一條利用單原子自旋來構建量子計算機的途徑，不需要任何振蕩磁場來運行它們。此外，用這些原子核作為精確的電場和磁場傳感器，可以回答量子科學中的基本問題。

在該論文中，研究團隊也詳細演示了使用在矽納米電子器件內產生的局部電場對單個銻核的相干量子控制。

【利用納米尺度的電極局部控制矽片內的單個銻原子核的量子態，圖源 UNSW 官網】

值得一提的是，Andrea Morello 不僅是新南威爾斯大學量子工程科學教授，也是雪梨一家依託於新南威爾斯大學的量子計算和通信先進技術中心的項目經理，並於 2017 年 8 月成立了澳大利亞第一家量子計算公司 Silicon Quantum Computing Pty Ltd，旨在推動量子計算機的發展，並實現商業化。

2017 年 9 月，Andrea Morello 團隊發明了一種基於「自旋翻轉型量子比特」的量子計算機結構，這一發明也使得大規模製造量子晶片的成本和難度大幅降低，並在學術頂刊《自然.通訊》（Nature Communications）發表相關論文。

Andrea Morello 教授等人也曾表示：

我們計劃到 2022 年研製出一個 10 量子比特的基於矽基集成電路的晶片，這將是向世界上第一臺矽量子計算機邁出的第一步。