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鉆石的隱藏潛力：物理學(xué)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(tǒng)推進(jìn)了量子模擬領(lǐng)域的發(fā)展。鉆石通常因其完美無瑕的光澤而備受推崇，但物理學(xué)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(xué)領(lǐng)域最負(fù)盛名的期刊之一《物理評論快報》（Physical Review Letters）所報道的，Chong Zu團(tuán)隊在將鉆石轉(zhuǎn)化為量子模擬器的探索中邁出了重要一步。

外場驅(qū)動鉆石內(nèi)的量子粒子，創(chuàng)造出長壽命量子系統(tǒng)。資料來源：圣路易斯華盛頓大學(xué)

(資料圖片僅供參考)

該論文的共同作者包括物理學(xué)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(shù)與科學(xué)戰(zhàn)略計劃的一個標(biāo)志性倡議，旨在將量子見解和技術(shù)應(yīng)用于物理學(xué)、生物醫(yī)學(xué)和生命科學(xué)、藥物發(fā)現(xiàn)以及其他意義深遠(yuǎn)的領(lǐng)域。

研究人員用氮原子轟擊鉆石，使其發(fā)生轉(zhuǎn)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(chǎn)生缺陷。由此產(chǎn)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(yīng)用范圍十分廣泛。

正如 Zu 和他的團(tuán)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(huán)境和彼此間的環(huán)境做出反應(yīng)。在新的研究中，研究人員關(guān)注的是另一種可能性：利用不完美的晶體來研究無比復(fù)雜的量子世界。

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

研究小組在這一領(lǐng)域取得的進(jìn)展將有助于研究多體量子物理學(xué)中一些最令人興奮的方面，包括實現(xiàn)物質(zhì)的新階段和預(yù)測復(fù)雜量子系統(tǒng)的突發(fā)現(xiàn)象。

在最新的研究中，Zu 和他的團(tuán)隊能夠讓他們的系統(tǒng)保持穩(wěn)定長達(dá) 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(tǒng)不同，他們的鉆石系統(tǒng)是在室溫條件下運行的。

保持量子系統(tǒng)完好無損的關(guān)鍵之一是防止熱化，即系統(tǒng)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(fā)現(xiàn)，他們可以通過快速驅(qū)動系統(tǒng)，使其來不及吸收能量，從而推遲這一結(jié)果的發(fā)生。這使得系統(tǒng)處于相對穩(wěn)定的"預(yù)熱"狀態(tài)。

這種基于鉆石的新系統(tǒng)使物理學(xué)家能夠同時研究多個量子區(qū)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(tǒng)存在的時間越長，靈敏度就越高，"Zu 說。

Zu 和他的團(tuán)隊目前正在與量子躍遷中心的其他華盛頓大學(xué)科學(xué)家合作，以獲得跨學(xué)科的新見解。在藝術(shù)與科學(xué)領(lǐng)域，Zu 正與物理學(xué)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(xué)助理教授盛然實驗室創(chuàng)造的量子材料。他還與地球、環(huán)境和行星科學(xué)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(xué)助理教授尚卡爾-穆克吉（Shankar Mukherji）合作，對活生物細(xì)胞中的熱力學(xué)進(jìn)行成像。

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