“快乐事故”打破了已有58年历史的量子计算突破之谜

艺术家对如何使用纳米级电极局部控制硅芯片内单个核的量子态的印象。

实验室中的一次不幸事故导致了一项突破性发现，该发现不仅解决了长达半个多世纪的问题，而且对量子计算机和传感器的发展也产生了重大影响。在今天发表在《自然》杂志上的一项研究中，悉尼新南威尔士大学的一个工程师团队做了一个有名的科学家在1961年首次提出的建议，但此后却使所有人望而却步：仅使用电场控制单个原子的核。

新南威尔士大学量子工程科学教授安德里亚·莫雷洛（Andrea Morello）说：“这项发现意味着我们现在有了一条使用单原子自旋来构建量子计算机的途径，而无需任何振荡磁场来进行操作。”“此外，我们可以将这些原子核用作电场和磁场的精确传感器，或者回答量子科学中的基本问题。”

可以用电场而不是磁场来控制核自旋具有深远的影响。产生磁场需要大线圈和高电流，而物理定律则表明很难将磁场限制在很小的空间中，因为它们往往具有很大的影响范围。另一方面，电场可以在微小电极的尖端产生，并且电场会从尖端急剧下降。这将使对放置在纳米电子器件中的单个原子的控制变得更加容易。

新范式

莫雷洛教授说，这一发现改变了核磁共振的范式，核磁共振是在医学，化学或采矿等领域广泛使用的技术。他说：“核磁共振是现代物理学，化学乃至医学或采矿业中最广泛使用的技术之一。”“医生使用它来查看病人体内的细节，而采矿公司则使用它来分析岩石样本。所有这些工作都非常好，但是对于某些应用程序，需要使用磁场来控制和检测原子核可能是不利的。”

莫雷洛教授使用台球桌的类比来解释用磁场和电场控制核自旋之间的区别。

他说：“进行磁共振就像试图通过抬起并摇动整个桌子来移动台球上的特定球一样。”“我们将移动预期的球，但我们还将移动其他所有球。”

“电共鸣的突破就像是将实际的台球棍交给您，让它精确地击中您想要的球一样。”

令人惊讶的是，莫雷洛教授完全没有意识到他的团队发现了一个长期存在的问题，即寻找一种方法来控制电场的核自旋，这是磁共振的先驱和诺贝尔奖获得者尼古拉·布隆伯根（Nicolaas Bloembergen）于1961年首次提出的。

莫雷洛教授说：“我从事自旋共振研究已有20年，但老实说，我从未听说过核电共振的想法。”“我们完全是偶然地'重新发现'了这种影响-寻找它对我来说从来没有发生过。在首次尝试证明它太具挑战性之后，半个多世纪以来，整个核电共振领域一直处于休眠状态。”

出于好奇

研究人员最初打算对单个锑原子进行核磁共振，该锑原子具有较大的核自旋。这项工作的主要作者之一Serwan Asaad博士解释说：“我们最初的目标是探索由核自旋的混沌行为设定的量子世界和古典世界之间的边界。这纯粹是一个由好奇心驱动的项目，没有任何应用程序在意。”

“但是，一旦我们开始实验，我们就意识到出了点问题。该论文的主要作者文森特·穆里克博士回忆说：“原子核的行为非常奇怪，拒绝在某些频率下做出反应，但在其他频率下表现出强烈的反应。”

“这使我们困惑了一段时间，直到我们有一个'尤里卡时刻'，才意识到我们在做电共振而不是磁共振。”

Asaad博士继续说：“发生的事情是，我们制造了一种包含锑原子和特殊天线的设备，该设备经过优化以创建高频磁场来控制原子核。我们的实验要求该磁场要相当强，因此我们向天线施加了很多功率，然后将其炸毁！”

游戏开始

莫里克博士说：“通常，对于像磷这样的较小原子核，当炸毁天线时，这是'游戏结束'，必须丢弃该设备。”“但是有了锑核，实验继续进行。事实证明，损坏后，天线会产生强电场而不是磁场。因此，我们“重新发现”了核电共振。

在证明了利用电场控制原子核的能力之后，研究人员使用了复杂的计算机模型来了解电场究竟如何影响原子核的自旋。这项工作突显了核电共振是一种真正的局部微观现象：电场使原子核周围的原子键变形，从而使其自身重新定向。

莫雷洛教授说：“这一具有里程碑意义的结果将开启一系列发现和应用的宝库。”“我们创建的系统具有足够的复杂性，可以研究我们每天经历的古典世界是如何从量子领域出现的。此外，我们可以利用其量子复杂性来构建灵敏度大大提高的电磁场传感器。而所有这些，都在一个简单的硅制电子设备中，可以通过向金属电极施加小的电压来控制！”

DOI：10.1038 / s41586-020-2057-7

重点研究人员：Scientia教授Andrea Morello（新南威尔士州），Serwan Asaad博士（新南威尔士州），Vincent Mourik博士（新南威尔士州），Jeffrey McCallum副教授（墨尔本大学），Andrew Baczewski博士（桑迪亚国家实验室）