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鉆石的隱藏潛力：物理學家釋放不完美晶體的量子能量

2023-10-08 16:58:13 來源：cnBeta

量子躍遷中心支持的研究利用原子級量子系統推進了量子模擬領域的發展。鉆石通常因其完美無瑕的光澤而備受推崇，但物理學助理教授祖沖之卻看到了這些天然晶體更深層次的價值。正如物理學領域最負盛名的期刊之一《物理評論快報》（Physical Review Letters）所報道的，Chong Zu團隊在將鉆石轉化為量子模擬器的探索中邁出了重要一步。

外場驅動鉆石內的量子粒子，創造出長壽命量子系統。資料來源：圣路易斯華盛頓大學

(資料圖片僅供參考)

該論文的共同作者包括物理學教授凱特-默奇（Kater Murch）、博士生何光輝、龔若天（Ruotian (Reginald) Gong）和劉中原。他們的工作得到了量子躍遷中心（Center for Quantum Leaps）的部分支持。量子躍遷中心是藝術與科學戰略計劃的一個標志性倡議，旨在將量子見解和技術應用于物理學、生物醫學和生命科學、藥物發現以及其他意義深遠的領域。

研究人員用氮原子轟擊鉆石，使其發生轉變。其中一些氮原子會移位碳原子，從而在原本完美的晶體中產生缺陷。由此產生的空隙中充滿了電子，這些電子具有自旋和磁性，其量子特性可被測量和操縱，應用范圍十分廣泛。

正如 Zu 和他的團隊之前通過對硼的研究揭示的那樣，這種缺陷有可能被用作量子傳感器，對周圍環境和彼此間的環境做出反應。在新的研究中，研究人員關注的是另一種可能性：利用不完美的晶體來研究無比復雜的量子世界。

經典計算機（包括最先進的超級計算機）不足以模擬量子系統，即使是只有十幾個量子粒子的系統。這是因為每增加一個粒子，量子空間的維度就會呈指數增長。但新研究表明，使用可控量子系統直接模擬復雜的量子動力學是可行的。Zu說："我們精心設計我們的量子系統，創建一個模擬程序并讓它運行。最后，我們觀察結果。這是使用經典計算機幾乎不可能解決的問題。"

研究小組在這一領域取得的進展將有助于研究多體量子物理學中一些最令人興奮的方面，包括實現物質的新階段和預測復雜量子系統的突發現象。

在最新的研究中，Zu 和他的團隊能夠讓他們的系統保持穩定長達 10 毫秒，這在量子世界中是很長的一段時間。值得注意的是，與其他在超低溫條件下運行的量子模擬系統不同，他們的鉆石系統是在室溫條件下運行的。

保持量子系統完好無損的關鍵之一是防止熱化，即系統吸收大量能量后，所有缺陷都會失去其獨特的量子特征，最終看起來一模一樣。研究小組發現，他們可以通過快速驅動系統，使其來不及吸收能量，從而推遲這一結果的發生。這使得系統處于相對穩定的"預熱"狀態。

這種基于鉆石的新系統使物理學家能夠同時研究多個量子區域的相互作用。它還為制造靈敏度越來越高的量子傳感器提供了可能。"量子系統存在的時間越長，靈敏度就越高，"Zu 說。

Zu 和他的團隊目前正在與量子躍遷中心的其他華盛頓大學科學家合作，以獲得跨學科的新見解。在藝術與科學領域，Zu 正與物理學副教授 Erik Henriksen 合作，以提高傳感器的性能。他還計劃利用它們來更好地理解物理學助理教授盛然實驗室創造的量子材料。他還與地球、環境和行星科學教授菲利普-斯基默（Philip Skemer）合作，從原子層面觀察巖石樣本中的磁場；并與物理學助理教授尚卡爾-穆克吉（Shankar Mukherji）合作，對活生物細胞中的熱力學進行成像。

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