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對於外行人來說，“自旋浴”這個詞聽起來可能像是髒衣服的苦難，但對於物理學家來說，這是量子清晰度的聲音——一群亞原子粒子以足夠清晰的方式相互作用，從而揭示像靜止池塘上的漣漪一樣擴散的量子漲落。在上週舉行的美國物理學會會議上，研究人員描述了迄今為止最靈敏的自旋浴的試執行，這是一種嵌入在室溫下合成金剛石薄膜中的人造分子。
美國和荷蘭的研究團隊將自旋浴置於兩種自旋態的量子混合物或疊加態中。自旋是使電子和其他亞原子粒子表現得像微型條形磁鐵的屬性。雖然自旋有兩種形式，向上和向下，但量子規則允許粒子同時進入向上和向下的疊加態。
這項結果進一步證明了控制和探測鑽石中的自旋的潛力。一些研究人員設想未來的裝置將依靠所謂的自旋電子學或自旋操控來執行，而不是使用電荷的電子學。
實際上，這項新研究證明了鑽石作為量子位元或量子位——擬議中的量子計算機和電信網路的基本構建塊——的潛力，它能夠同時充當 0 和 1。
荷蘭代爾夫特理工大學的物理學家羅納德·漢森與加州大學聖巴巴拉分校的大衛·奧沙洛姆和其他同事合作，首先將金剛石薄膜中的兩個相鄰碳原子替換為一個孤氮原子和一個空位。這種氮-空位 (NV) 中心包含一個自由電子，可以像原子一樣被激發成疊加態。
為了建立疊加態，研究人員向 NV 中心發射雷射，同時在自旋浴上施加磁場。然後，他們施加一個射頻電磁輻射脈衝，這實際上使量子態上下顛倒。就像一枚硬幣掉入池塘一樣，翻轉擾亂了周圍氮原子核中隨機定向的自旋，類似於磁共振成像。
這種相互作用逐漸從 NV 中心耗盡疊加態，並使其處於確定的向上或向下狀態，研究小組透過 NV 中心是否發射光子來區分這兩種狀態。重複該程式揭示了中心自旋的演化量子態。“你可以翻轉自旋，你可以觀察到資訊進入浴中，”奧沙洛姆說。“這是一個非常好的、清晰的物理學問題，但實驗研究起來非常困難。”
接下來，他們測量了疊加態的持續時間，或相干時間，這限制了它與其他量子位元相互作用的能力。透過在延遲上新增第二個脈衝來測量疊加態的持續時間，第二個脈衝與第一個脈衝完全相反。對於長達六微秒的延遲，NV 中心能夠恢復到至少類似於其原始狀態的狀態——表明疊加態仍然完好無損。
“即使在室溫下，從其他類似量子位元的角度來看，這些自旋似乎也基本上是永久存在的，”馬里蘭大學帕克分校的理論物理學家桑卡爾·達斯·薩爾馬說，這可能使它們非常適合在量子儲存器中儲存資訊。他說，長相干時間可能源於金剛石樣品中碳 13 同位素的相對稀缺性，碳 13 同位素具有自身的自旋，會干擾 NV 中心。
自旋浴的發現補充了會議上提出的其他工作。哈佛大學的物理學家米哈伊爾·盧金描述了他所在團隊最近進行的實驗，該實驗透過單個碳 13 核對其周圍 NV 中心的影響來檢測其自旋——他說這可能提供一種單分子超精密磁共振成像。
其他研究人員正在測試將 NV 中心放置在精確位置的方法，這目前具有挑戰性，以及將疊加態從鑽石轉移到光再轉移回來，以使量子位元能夠交換資訊。
奧沙洛姆對使用鑽石進行量子技術的潛力持樂觀態度。“令人興奮的是它在環境條件下執行良好，”他說。“對於使用鑽石製造基本的量子系統，目前還沒有明顯的障礙。”
“基本”可能是關鍵詞。達斯·薩爾馬指出，考慮到製造 NV 中心的試錯過程，將鑽石量子位元連線成計算機可能比使用它們儲存資訊要困難得多。他說，目前，“似乎沒有人對如何擁有許多可以擴充套件的量子位元有好主意。”