天線爆炸意外發現「核電共振」，諾貝爾獎得主 58 年前的量子謎題破解！

58 年後，核磁共振先驅的假設終於印證。

澳洲時間 2020 年 3 月 11 日，《自然》（Nature）刊登澳洲新南威爾斯大學（The University of New South Wales，UNSW）量子工程科學教授 Andrea Morello 團隊《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）論文。

一次實驗失誤意外幫助研究團隊動搖了核磁共振公式，是量子電腦和感測器的突破。

核磁共振公式動搖

論文提到「核自旋」概念。

化學元素是指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，其實是原子核的特徴之一──原子核由質子和中子組成，質子和中子都有各自固定的自旋角動量，在核內還有軌道運動，相應有軌道角動量，所有角動量總和就是原子核的自旋角動量。

核自旋透過磁共振的控制和偵測，廣泛用在各領域，如化學、醫學、材料科學和採礦。同時，核自旋也出現在早期固態量子電腦提案及量子搜索和分解演算法。

具不同磁性的物質在一定條件下可能出現不同磁共振，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」想必大部分人都聽過，如今醫學領域核磁共振成像是常見的影像檢查法。核磁共振技術對很多領域都非常有效，但對另外某些領域而言，還是有局限性。

核磁共振先驅、諾貝爾物理學獎得主 Nicolaas Bloembergen 於 1961 年首次提出只用電場控制單原子核的假設，半世紀以來，這假設始終未印證，直到最近 Andrea Morello 團隊宣布發現了「核電共振」。

▲ Andrea Morello（左）與團隊。

這發現動搖了核磁共振公式──這是因產生磁場需要大線圈、大電流，效應範圍很廣，很難把磁場控制在非常小的空間；而電場可於微小電極的尖端產生，能在遠離電極尖端的位置急劇下降。如 Andrea Morello 教授所說：

磁共振就像抬起整個撞球桌晃動，來移動撞球。電共振突破就像擁有一根撞球桿，可精準擊球。

實驗室天線爆炸是成功的關鍵

提到研究初衷，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，其實我們這次發現完全是偶然。

據 UNSW 官網介紹，研究團隊起初是用銻（Sb，有很大核自旋）原子進行核磁共振。論文作者之一 Serwan Asaad 博士（上圖右）解釋：

我們最初目標是探索由核自旋的混沌行為決定的量子世界和經典世界的邊界，純粹是好奇心驅動，沒有考慮應用。但原子核的反應很奇怪，某些頻率沒有反應，但在其他頻率反應強烈。

這讓研究團隊困惑，直到意識到他們做的是電共振，而非磁共振。

因此，研究員製造由銻原子和特殊天線組成的裝置，經過最佳化，裝置產生高頻磁場控制原子核。實驗需要強力磁場，因此研究人員輸入很大功率，所以天線就爆炸了。

如果他們實驗用的是燐一類較小的原子核，那麼天線炸毀，裝置就無法使用，遊戲結束。

但這次「失敗」恰好是成功關鍵──由於使用銻核，天線毀了之後產生強力電場，他們發現了核電共振。

為矽量子電腦鋪路

證明電場控制原子核的能力之後，研究人員利用微觀理論模型，理解電場如何精確影響原子核自旋。

具體來講，上述模型揭示核電四極相互作用的純電調制，如何導致因晶格應變而唯一可定址的相干核自旋躍遷。自旋去相位（把相干訊號迅速打散，使不想要的殘餘訊號迅速衰減，進而減少對後面有用訊號的影響）時間（0.1 秒）比透過需要耦合電子自旋達成電驅動獲得的時間長幾個等級。

結果表明，利用全電控制，高自旋四極核可當作混沌模型、應變感測器，以及自旋─機械混合量子系統。將電力可控核與量子點整合，為可伸縮、基於核和電子自旋的矽量子電腦鋪路，保證不需要振盪磁場的情況下工作。

研究團隊發現核電共振是真正的局部微觀現象──電場使原子核周圍的原子鍵（指兩個原子透過共用電子對產生的化學鍵）重新定向。

Andrea Morello 教授也表示：

這發現意味著現在有一條利用單原子自旋構建量子電腦的途徑，不需要任何振盪磁場。此外，用這些原子核為精確的電場和磁場感測器，可解答量子科學的基本問題。

研究團隊也詳細展示使用矽奈米電子器件內產生的局部電場，控制單銻核的相干量子。

▲ 使用奈米技術的電極局部控制矽片單銻原子核的量子態。

Andrea Morello 不僅是新南威爾斯大學量子工程科學教授，也是雪梨一家基於新南威爾斯大學的量子計算和通訊先進技術中心專案經理，並於 2017 年 8 月成立澳洲第一家量子計算公司 Silicon Quantum Computing Pty Ltd.，旨在推動量子電腦發展並商業化。

2017 年 9 月，Andrea Morello 團隊發明基於「自旋翻轉型量子位元」的量子電腦架構，使大規模製造量子晶片的成本和難度大幅降低，並在期刊《自然通訊》（Nature Communications）發表論文。

（Source：UNSW）

Andrea Morello 等人曾表示：

我們計劃 2022 年研發出 10 量子位元的矽基積體電路晶片，這將是世界第一台矽量子電腦邁出的第一步。

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（本文由 雷鋒網 授權轉載；首圖來源：影片截圖）