科学家无意中听到两个原子聊天:磁量子相互作用

旨在交换量子信息

艺术家对实验的印象,其中电脉冲被施加到钛原子。结果,它的磁矩突然翻转。邻近的钛原子(右)对此运动反应,但不能与快速运动保持速度。这样,启动原子之间的磁量子信息的交换。信用:涂德尔伯特/苏克兰

材料的行为取决于无数原子之间的相互作用。你可以把它看成是一个巨大的群聊,原子们在其中不断地交换量子信息。代尔夫特理工大学的研究人员与亚琛工业大学和研究中心Jülich合作,现在已经能够拦截两个原子之间的聊天。他们提交了他们的发现科学在2021年5月28日。

当然,原子并不真正在说话。但是他们可以感觉到彼此。磁原子的情况尤其如此。“每原子带有一个名为旋转的小磁矩。这些旋转彼此影响,当你把它们靠近时,如罗盘针那样。如果你给其中一个推动,他们将以非常具体的方式开始一起举动,“演艺的团队领导者桑德奥特·奥尔解释道。“但根据量子力学的规律,每个旋转可以同时点在各个方向上点,形成叠加。这意味着在原子之间进行量子信息的实际转移,如某种对话。“

锋利的针

在很大程度上,原子之间的这种信息交换可以导致令人着迷的现象。一个经典的例子是超导性:某些材料在临界温度下失去所有电阻率的效应。虽然在最简单的情况下大家都很清楚,但没有人确切知道这种效应是如何在许多复杂的材料中产生的。但可以肯定的是,磁量子相互作用发挥了关键作用。为了解释这样的现象,科学家们对能够拦截这些交流非常感兴趣;偷听原子间的对话。

在奥特的团队中,他们相当直接地做到了这一点:他们真的把两个原子放在一起,看看会发生什么。借助扫描隧道显微镜,这是可能的:在这种设备中,一根尖锐的针可以一个一个地探测原子,甚至可以重新排列它们。研究人员使用这种设备将两个钛原子放置在一纳米(百万分之一毫米)以上的距离。在这个距离上,原子只能感受到彼此的旋转。如果你现在转动其中一个旋转,对话就会自动开始。

通常,这种扭曲是通过向原子发送非常精确的无线电信号来实现的。这种所谓的自旋共振技术——与医院里发现的核磁共振扫描仪的工作原理相当相似——被成功地用于量子位元的研究。代尔夫特团队也可以使用这个工具,但它有一个缺点。“它就是太慢了,”该研究的主要作者、博士生卢卡斯·维尔德曼说科学出版物。“在另一个开始旋转之前,你几乎没有开始扭曲一个旋转。这样,你永远无法调查在相反方向上放置两个旋转时会发生什么。“

非正统的方法

所以研究人员尝试了一些非正统的东西:它们迅速倒转了两个原子中的一个突然爆发的电流。为了他们的惊喜,这种激烈的方法导致了一本书的量子互动。在脉冲期间,电子与原子碰撞,导致其旋转旋转。奥特:“但我们始终认为在这个过程中,精致的量子信息 - 所谓的连贯 - 丢失了。毕竟,电子是不连贯的:在碰撞前的每个电子的历史略有不同,并且这种混乱被转移到原子的旋转,破坏任何一致性。“

事实是,现在看来这似乎不是真的,这引起了一些争论。显然,每一个随机的电子,不管它的过去如何,都可以启动一个相干叠加:一个基本量子态的特定组合,这是完全已知的,它构成了几乎任何形式的量子技术的基础。

完美的叠加

“症结构认为,这取决于您提出的问题,”Rwth Aachen大学和研究中心Jülich的主教斯科纳斯争论。“电子反转一个原子的旋转导致它指向左侧。您可以将其视为测量,擦除所有量子存储器。但从包含两个原子的组合系统的角度来看,所产生的情况根本不是那么平凡。对于两个原子在一起,新状态构成了完美的叠加,可以在它们之间交换信息。至关重要的是,发生这种情况是,这两个旋转都变得纠缠:一种特殊的量子状态,其中它们与典型可能的相互共享更多信息。“

发现可以重视研究量子位。也许在那项研究中,你也可以在初始化量子状态时稍微不那么小心。但对于奥特和他的团队来说,它主要是更美丽的实验的起点。Veldman:“我们在这里使用了两个原子,但是当你使用三个时会发生什么?或十,或一千人?没有人能够预测,因为计算能力对于这些数字来说是短暂的。也许有一天我们能够听取任何人都可以听到的量子对话。“

2021年5月28日,科学

资金:荷兰研究理事会(NWO),Vici Grant

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