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对于外行人来说，“自旋浴”这个词听起来可能像是脏衣服的苦难，但对于物理学家来说，这是量子清晰度的声音——一群亚原子粒子以足够清晰的方式相互作用，从而揭示像静止池塘上的涟漪一样扩散的量子涨落。在上周举行的美国物理学会会议上，研究人员描述了迄今为止最灵敏的自旋浴的试运行，这是一种嵌入在室温下合成金刚石薄膜中的人造分子。
美国和荷兰的研究团队将自旋浴置于两种自旋态的量子混合物或叠加态中。自旋是使电子和其他亚原子粒子表现得像微型条形磁铁的属性。虽然自旋有两种形式，向上和向下，但量子规则允许粒子同时进入向上和向下的叠加态。
这项结果进一步证明了控制和探测钻石中的自旋的潜力。一些研究人员设想未来的设备将依靠所谓的自旋电子学或自旋操控来运行，而不是使用电荷的电子学。
实际上，这项新研究证明了钻石作为量子比特或量子位——拟议中的量子计算机和电信网络的基本构建块——的潜力，它能够同时充当 0 和 1。
荷兰代尔夫特理工大学的物理学家罗纳德·汉森与加州大学圣巴巴拉分校的大卫·奥沙洛姆和其他同事合作，首先将金刚石薄膜中的两个相邻碳原子替换为一个孤氮原子和一个空位。这种氮-空位 (NV) 中心包含一个自由电子，可以像原子一样被激发成叠加态。
为了创建叠加态，研究人员向 NV 中心发射激光，同时在自旋浴上施加磁场。然后，他们施加一个射频电磁辐射脉冲，这实际上使量子态上下颠倒。就像一枚硬币掉入池塘一样，翻转扰乱了周围氮原子核中随机定向的自旋，类似于磁共振成像。
这种相互作用逐渐从 NV 中心耗尽叠加态，并使其处于确定的向上或向下状态，研究小组通过 NV 中心是否发射光子来区分这两种状态。重复该程序揭示了中心自旋的演化量子态。“你可以翻转自旋，你可以观察到信息进入浴中，”奥沙洛姆说。“这是一个非常好的、清晰的物理学问题，但实验研究起来非常困难。”
接下来，他们测量了叠加态的持续时间，或相干时间，这限制了它与其他量子比特相互作用的能力。通过在延迟上添加第二个脉冲来测量叠加态的持续时间，第二个脉冲与第一个脉冲完全相反。对于长达六微秒的延迟，NV 中心能够恢复到至少类似于其原始状态的状态——表明叠加态仍然完好无损。
“即使在室温下，从其他类似量子比特的角度来看，这些自旋似乎也基本上是永久存在的，”马里兰大学帕克分校的理论物理学家桑卡尔·达斯·萨尔马说，这可能使它们非常适合在量子存储器中存储信息。他说，长相干时间可能源于金刚石样品中碳 13 同位素的相对稀缺性，碳 13 同位素具有自身的自旋，会干扰 NV 中心。
自旋浴的发现补充了会议上提出的其他工作。哈佛大学的物理学家米哈伊尔·卢金描述了他所在团队最近进行的实验，该实验通过单个碳 13 核对其周围 NV 中心的影响来检测其自旋——他说这可能提供一种单分子超精密磁共振成像。
其他研究人员正在测试将 NV 中心放置在精确位置的方法，这目前具有挑战性，以及将叠加态从钻石转移到光再转移回来，以使量子比特能够交换信息。
奥沙洛姆对使用钻石进行量子技术的潜力持乐观态度。“令人兴奋的是它在环境条件下运行良好，”他说。“对于使用钻石制造基本的量子系统，目前还没有明显的障碍。”
“基本”可能是关键词。达斯·萨尔马指出，考虑到制造 NV 中心的试错过程，将钻石量子比特连接成计算机可能比使用它们存储信息要困难得多。他说，目前，“似乎没有人对如何拥有许多可以扩展的量子比特有好主意。”