近年來(lái)，原子尺度的量子科學(xué)取得了迅速發(fā)展，尤其是在能夠操縱和測(cè)量單個(gè)粒子量子態(tài)的技術(shù)方面。作為量子信息存儲(chǔ)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(zhǎng)的時(shí)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(lái)一個(gè)問(wèn)題：核自旋難以直接訪問(wèn)和讀出，尤其是在單原子層面。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)大多依賴平均測(cè)量，即對(duì)無(wú)數(shù)個(gè)原子的核自旋信號(hào)取平均，從而掩蓋了單個(gè)核自旋的狀態(tài)。實(shí)現(xiàn)所謂的單次讀出——能夠?qū)崟r(shí)、高保真地測(cè)量單個(gè)核自旋的瞬時(shí)狀態(tài)——長(zhǎng)期以來(lái)一直是凝聚態(tài)物理與量子技術(shù)領(lǐng)域的一大挑戰(zhàn)。

最近，發(fā)表在《自然·通訊》的論文實(shí)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(jié)合，首次在單個(gè)吸附在表面上的鈦原子 (??Ti) 上成功實(shí)現(xiàn)了核自旋的單次讀出。這一成果不僅在基礎(chǔ)量子科學(xué)中具有里程碑意義，也為未來(lái)原子級(jí)量子計(jì)算、量子傳感和量子模擬應(yīng)用奠定了重要基礎(chǔ)。

背景：為什么核自旋如此重要

核自旋的吸引力在于其超長(zhǎng)相干特性。由于磁矩遠(yuǎn)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(shí)間 (T?) 都遠(yuǎn)長(zhǎng)于電子自旋。

在量子信息技術(shù)中，核自旋非常適合充當(dāng)“長(zhǎng)期存儲(chǔ)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(shí)上，許多量子計(jì)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(gè)核自旋，代表著朝著可擴(kuò)展、原子精確的量子器件邁出了關(guān)鍵一步。

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

實(shí)驗(yàn)突破：一種新型顯微鏡

研究人員通過(guò)結(jié)合兩種強(qiáng)大的技術(shù)解決了這個(gè)問(wèn)題：掃描隧道顯微鏡（STM）和電子自旋共振（ESR）。STM使用一個(gè)原子級(jí)鋒利的針尖掃描表面，測(cè)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(duì)核自旋不敏感。

這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)的獨(dú)到之處在于它使用了一種中間媒介。研究團(tuán)隊(duì)選擇了一個(gè)鈦-49原子，并將其放置在一個(gè)非磁性表面，即氧化鎂薄膜上。關(guān)鍵在于，鈦原子的電子自旋通過(guò)一種被稱為超精細(xì)相互作用的量子力學(xué)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(gè)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(jìn)行單次讀取，研究人員使用了一種脈沖測(cè)量方案。他們發(fā)送一個(gè)簡(jiǎn)短的射頻（RF）能量脈沖，該脈沖的頻率經(jīng)過(guò)精細(xì)調(diào)節(jié)，只有當(dāng)核自旋處于特定狀態(tài)時(shí)，它才會(huì)翻轉(zhuǎn)電子自旋。當(dāng)電子自旋翻轉(zhuǎn)時(shí)，從STM針尖流出的隧穿電流會(huì)發(fā)生獨(dú)特且可測(cè)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(gè)微波脈沖。由于超精細(xì)相互作用，這個(gè)脈沖被調(diào)整為只有當(dāng)核自旋處于特定狀態(tài)（例如，自旋向上）時(shí)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(gè)短電壓來(lái)測(cè)量隧穿電流。如果電子自旋被脈沖翻轉(zhuǎn)了，隧穿電流就會(huì)增加；如果沒(méi)有，電流就會(huì)保持較低。
3. 單次判斷：關(guān)鍵在于，這種電流變化足夠顯著，可以在一次測(cè)量中被檢測(cè)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(jìn)行平均。研究人員觀察到電流在兩個(gè)離散的水平之間實(shí)時(shí)跳動(dòng)，這直接對(duì)應(yīng)于核自旋的翻轉(zhuǎn)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)的觀測(cè)結(jié)果顯示，隧道電流會(huì)發(fā)生離散的跳躍，這些跳躍對(duì)應(yīng)核自旋在不同狀態(tài)之間的翻轉(zhuǎn)，也就是所謂的“量子跳躍”。這些信號(hào)的實(shí)時(shí)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(dá) 98%，在如此微弱的信號(hào)背景下，這是一個(gè)極為出色的數(shù)值。

進(jìn)一步的測(cè)量揭示了核自旋的壽命特征。在連續(xù)射頻驅(qū)動(dòng)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(zhǎng)到 300 毫秒。而在脈沖測(cè)量方案中，剔除了探測(cè)引入的干擾后，研究人員獲得了核自旋的本征壽命，長(zhǎng)達(dá) 5 秒左右，比電子自旋壽命整整長(zhǎng)了七個(gè)數(shù)量級(jí)。這種長(zhǎng)壽命特性再次印證了核自旋作為量子存儲(chǔ)單元的潛力。

實(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)，核自旋的動(dòng)力學(xué)會(huì)受到實(shí)驗(yàn)條件的顯著影響。例如，隧道電流、偏壓以及射頻信號(hào)的強(qiáng)度都會(huì)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(yīng)，即某些核自旋態(tài)被選擇性地占據(jù)，從而為未來(lái)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(yuǎn)的意義。首先，它證明了單個(gè)原子核自旋的量子態(tài)確實(shí)能夠在實(shí)時(shí)條件下可靠地測(cè)量，這是一個(gè)長(zhǎng)期以來(lái)被認(rèn)為極其困難的任務(wù)。其次，秒級(jí)的壽命使核自旋成為理想的量子存儲(chǔ)候選者。如果將其與電子自旋結(jié)合，便有可能實(shí)現(xiàn)既穩(wěn)定又靈活的混合量子比特，這將成為未來(lái)量子處理器的重要構(gòu)件。更重要的是，在表面上操控核自旋意味著可以構(gòu)建原子級(jí)的量子陣列，從而推動(dòng)量子模擬、量子傳感以及可擴(kuò)展量子計(jì)算架構(gòu)的發(fā)展。

當(dāng)然，挑戰(zhàn)依然存在。例如，如何擴(kuò)展讀出范圍以覆蓋所有核自旋子態(tài)，如何在讀出的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)對(duì)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(shí)進(jìn)一步降低測(cè)量帶來(lái)的反作用，這些都是未來(lái)必須解決的問(wèn)題。