量子研究人员在单个原子核中引起受控的摆动

荷兰代尔夫特理工大学的研究人员已经能够在原子的核心处启动受控运动。他们使原子核与原子最外层电子之一相互作用。这个电子可以通过扫描隧道显微镜的针头进行操纵和读出。

该项研究发表在《自然通讯》杂志上，为将量子信息存储在原子核内免受外界干扰提供了前景。

研究人员连续数周研究单个钛原子。“准确地说，是Ti-47原子，”研究负责人桑德·奥特(SanderOtte)说道。“它的中子比自然界中丰富的Ti-48少一个，因此原子核略带磁性。”

这种磁性，用量子语言来说就是“自旋”，可以看作是一种可以指向不同方向的指南针。在特定时间，自旋的方向构成了一段量子信息。

原子核漂浮在相对巨大的空洞中，远离绕轨道运行的电子，与周围环境毫不相关。但有一个例外：由于“超精细相互作用”非常微弱，原子核自旋会受到其中一个电子自旋的影响。

“说起来容易做起来难，”卢卡斯·维尔德曼(LukasVeldman)说，他最近以优异的成绩完成了关于这项研究的博士论文答辩。“超精细相互作用非常弱，只有在非常小的、精确调节的磁场中才会有效。”

一旦满足所有实验条件，研究人员就会使用电压脉冲将电子自旋推离平衡状态，之后两个自旋会一起摆动几分之一微秒。“正如薛定谔所预测的那样，”维尔德曼说。

在实验的同时，他还进行了计算，结果出人意料地完美地再现了观察到的波动。观测结果与预测结果高度一致，表明在电子与原子核相互作用过程中没有量子信息丢失。

有效地屏蔽环境使得核自旋成为保存量子信息的可行候选者。当前的研究可能会使这一应用更进一步。但这并不是研究人员的主要动力。

奥特说：“这项实验让人类在难以想象的微小规模上对物质状态产生了影响。对我来说，仅凭这一点就值得付出努力。”