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量子達爾文主義在金剛石自旋中被證實

關鍵詞 金剛石 , 量子|2019-09-18 10:32:31|來源 Carbontech
摘要 金剛石中的一些自旋揭示了物理學中最持久的謎團之一——經典物理學的客觀現實是如何從朦朧的概率量子世界中浮現出來的?德國和美國的物理學家利用鉆石上的氮空位(NV)中心來證明“量子達爾文...

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       金剛石中的一些自旋揭示了物理學中最持久的謎團之一——經典物理學的客觀現實是如何從朦朧的概率量子世界中浮現出來的?德國和美國的物理學家利用鉆石上的氮空位(NV)中心來證明“量子達爾文主義”,即系統的“最適合”狀態在量子世界和經典世界之間的過渡中存活和擴散。

       在過去,物理學家傾向于認為經典和量子世界被突然的屏障所分割,這道屏障在我們熟悉的宏觀(經典)領域和我們不熟悉的微觀(量子)領域之間做出了根本的區分。但近幾十年來,這種觀點發生了變化。此案在許多專家認為這種轉變是漸進的,我們所測量的確定的經典態來自于概率量子態,隨著它們與周圍環境的糾纏越來越多,它們逐漸失去了相干性(盡管速度非常快)。

       新墨西哥州洛斯阿拉莫斯國家實驗室(Los Alamos National Laboratory)的沃伊切赫?祖雷克(Wojciech Zurek)提出的量子達爾文主義(Quantum darwin)認為,我們所感知的經典狀態是強大的量子狀態,能夠在退相干過程中經受住糾纏。他的理論框架假定,關于這些狀態的信息將被重復許多次,并在整個環境中傳播。正如自然選擇告訴我們,一個物種中最適的個體必須生存下來以大量繁殖,從而形成進化,最適合的量子態將被復制,并呈現經典狀態。這種冗余意味著許多個體觀察者會將任何給定狀態度量為具有相同的值,從而確保客觀現實。

       孤立的自旋

       為了從實驗上觀察冗余現象,德國烏爾姆大學的Fedor Jelezko和其他實驗人員與Zurek和一些理論家同事進行了合作。研究小組專注于NV中心,當金剛石晶格中的相鄰兩個碳原子被一個氮原子和一個空晶格取代時,就會產生NV中心。氮原子有一個未配對的電子。這表現為一個孤立的自旋-它可以是向上,向下或兩者的疊加。自旋態可以在一個完善的過程中進行探測,該過程包括用激光照射金剛石并記錄其發出的熒光。

       研究人員開始監測NV自旋如何與鄰近幾個碳原子的自旋相互作用。金剛石中的大多數碳是碳-12,其自旋為零。然而,大約1%的原子是碳-13,它具有核自旋。他們的實驗涉及到探索NV自旋與大約1納米遠的4個碳13原子之間的相互作用。作為環境的碳-13自旋太弱而不能相互作用,但卻在NV自旋中引起退相干。這個過程包括碳-13自旋轉變為依賴于NV自旋狀態的新量子態。

       該實驗是通過將綠色激光照射到毫米級鉆石樣品內的NV旋轉上并測量隨微波和射頻場打開和關閉時發射的光子來完成的。因為他們無法直接觀察碳13旋轉,所以團隊將這些自旋狀態轉移到NV自旋并再次利用熒光測量。Jelezko說,這種反直覺的方法是可行的,因為實驗中的三個步驟 - 準備自旋狀態,退相干和測量 - 在時間上完全分開。

       自然環境

       通過這樣做,研究人員發現了預期的冗余。通過測量一個碳-13原子核的自旋,并多次重復實驗,他們發現他們可以在大多數情況下正確地推斷出大多數NV自旋特性。但是對額外的核自旋的測量幾乎沒有增加這方面的知識。他們在《物理評論快報》(Physical Review Letters)上發表的一篇論文中寫道,這些結果“首次在實驗室證明了量子達爾文主義在自然環境中的作用”。

       Jelezko說,“自然”一詞指的是,固體中的自旋退相干通常是由于磁性與核自旋相互作用的結果。他補充說,這個過程使得利用固體中的自旋來構建量子計算機變得困難。該小組的下一步是擴大實驗規模,盡管Jelezko承認,接近宏觀物體(甚至是塵埃顆粒)的大小很可能是不可能的。他說:“我不認為我們將能制造出十億個原子,但20個就已經產生了巨大的影響。”

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