《自然·通訊》重磅成果：首次實現(xiàn)單個核自旋的單次讀出

近年來，原子尺度的量子科學取得了迅速發(fā)展，尤其是在能夠操縱和測量單個粒子量子態(tài)的技術方面。作為量子信息存儲的候選者之一，核自旋顯示出極大的潛力。與電子自旋相比，核自旋與環(huán)境的相互作用更弱，因此能夠在極長的時間尺度上保持其狀態(tài)。這使得它們成為穩(wěn)健的量子信息載體。

然而，這種“隔離性”也帶來一個問題：核自旋難以直接訪問和讀出，尤其是在單原子層面。傳統(tǒng)的實驗大多依賴平均測量，即對無數(shù)個原子的核自旋信號取平均，從而掩蓋了單個核自旋的狀態(tài)。實現(xiàn)所謂的單次讀出——能夠實時、高保真地測量單個核自旋的瞬時狀態(tài)——長期以來一直是凝聚態(tài)物理與量子技術領域的一大挑戰(zhàn)。

最近，發(fā)表在《自然·通訊》的論文實現(xiàn)了這一突破：他們利用掃描隧道顯微鏡與電子自旋共振的結合，首次在單個吸附在表面上的鈦原子 (??Ti) 上成功實現(xiàn)了核自旋的單次讀出。這一成果不僅在基礎量子科學中具有里程碑意義，也為未來原子級量子計算、量子傳感和量子模擬應用奠定了重要基礎。

背景：為什么核自旋如此重要

核自旋的吸引力在于其超長相干特性。由于磁矩遠小于電子自旋，核自旋與環(huán)境的耦合極弱，因此其壽命 (T?) 和相干時間 (T?) 都遠長于電子自旋。

在量子信息技術中，核自旋非常適合充當“長期存儲量子比特”，而電子自旋則可以作為易于操控和快速操作的“中介”。事實上，許多量子計算方案都基于這種電子–核自旋的混合系統(tǒng)。因此，能夠在固體表面上控制和讀出單個核自旋，代表著朝著可擴展、原子精確的量子器件邁出了關鍵一步。

在此之前，大多數(shù)核自旋讀出依賴于整體測量（如 NMR、ESR），或者局限于體材料中的單個缺陷（例如金剛石中的氮-空位中心）。直接在表面實現(xiàn)單個核自旋的讀出從未實現(xiàn)過，這正是本實驗的突破所在。

實驗突破：一種新型顯微鏡

研究人員通過結合兩種強大的技術解決了這個問題：掃描隧道顯微鏡（STM）和電子自旋共振（ESR）。STM使用一個原子級鋒利的針尖掃描表面，測量從針尖流向樣品的電子量子隧穿電流。雖然STM在成像方面非常出色，但它本身對核自旋不敏感。

這項實驗的獨到之處在于它使用了一種中間媒介。研究團隊選擇了一個鈦-49原子，并將其放置在一個非磁性表面，即氧化鎂薄膜上。關鍵在于，鈦原子的電子自旋通過一種被稱為超精細相互作用的量子力學現(xiàn)象，與其核自旋緊密耦合。這種耦合意味著電子自旋的狀態(tài)直接取決于核自旋的狀態(tài)。電子自旋就像一個信使，將核自旋的狀態(tài)信息傳遞給外部世界。

單次讀取協(xié)議

為了進行單次讀取，研究人員使用了一種脈沖測量方案。他們發(fā)送一個簡短的射頻（RF）能量脈沖，該脈沖的頻率經(jīng)過精細調節(jié)，只有當核自旋處于特定狀態(tài)時，它才會翻轉電子自旋。當電子自旋翻轉時，從STM針尖流出的隧穿電流會發(fā)生獨特且可測量的變化。

該協(xié)議的工作原理如下：

1. 依賴于狀態(tài)的激發(fā)：施加一個微波脈沖。由于超精細相互作用，這個脈沖被調整為只有當核自旋處于特定狀態(tài)（例如，自旋向上）時才激發(fā)電子自旋。
2. 基于電流的讀取：在脈沖之后，施加一個短電壓來測量隧穿電流。如果電子自旋被脈沖翻轉了，隧穿電流就會增加；如果沒有，電流就會保持較低。
3. 單次判斷：關鍵在于，這種電流變化足夠顯著，可以在一次測量中被檢測到。高電流表示一種核自旋狀態(tài)，而低電流則表示另一種。不需要進行平均。研究人員觀察到電流在兩個離散的水平之間實時跳動，這直接對應于核自旋的翻轉。

實驗結果

實驗的觀測結果顯示，隧道電流會發(fā)生離散的跳躍，這些跳躍對應核自旋在不同狀態(tài)之間的翻轉，也就是所謂的“量子跳躍”。這些信號的實時捕捉證明了單次讀出的可行性。更令人印象深刻的是，讀出的保真度高達 98%，在如此微弱的信號背景下，這是一個極為出色的數(shù)值。

進一步的測量揭示了核自旋的壽命特征。在連續(xù)射頻驅動的條件下，某一核自旋態(tài)的壽命約為 100 毫秒，在優(yōu)化條件下可以延長到 300 毫秒。而在脈沖測量方案中，剔除了探測引入的干擾后，研究人員獲得了核自旋的本征壽命，長達 5 秒左右，比電子自旋壽命整整長了七個數(shù)量級。這種長壽命特性再次印證了核自旋作為量子存儲單元的潛力。

實驗還發(fā)現(xiàn)，核自旋的動力學會受到實驗條件的顯著影響。例如，隧道電流、偏壓以及射頻信號的強度都會改變核自旋的狀態(tài)穩(wěn)定性。在某些條件下，甚至出現(xiàn)了自旋泵浦效應，即某些核自旋態(tài)被選擇性地占據(jù)，從而為未來的初始化和操控提供了可能性。

意義與展望

這一成果具有深遠的意義。首先，它證明了單個原子核自旋的量子態(tài)確實能夠在實時條件下可靠地測量，這是一個長期以來被認為極其困難的任務。其次，秒級的壽命使核自旋成為理想的量子存儲候選者。如果將其與電子自旋結合，便有可能實現(xiàn)既穩(wěn)定又靈活的混合量子比特，這將成為未來量子處理器的重要構件。更重要的是，在表面上操控核自旋意味著可以構建原子級的量子陣列，從而推動量子模擬、量子傳感以及可擴展量子計算架構的發(fā)展。

當然，挑戰(zhàn)依然存在。例如，如何擴展讀出范圍以覆蓋所有核自旋子態(tài)，如何在讀出的基礎上實現(xiàn)對核自旋的相干操控，如何從單原子拓展到耦合陣列，以及如何在保證高保真度的同時進一步降低測量帶來的反作用，這些都是未來必須解決的問題。