科学家们无意中听到两个原子在聊天

这是艺术家对实验的印象，在实验中，电脉冲被应用到钛原子上。结果，它的磁矩突然发生了变化。一个邻近的钛原子(右)对这种运动产生反应，但不能跟上快速的运动。因此，原子之间的磁量子信息的交换就开始了。来源:荷兰代尔夫特科技/ Scixel

材料的行为取决于无数原子之间的相互作用。你可以把它看成是一个巨大的群聊，原子们在其中不断地交换量子信息。代尔夫特理工大学的研究人员与亚琛工业大学和研究中心Jülich合作，现在已经能够拦截两个原子之间的聊天。他们在5月28日的《科学》杂志上发表了他们的发现。

当然，原子并不真正在说话。但它们可以相互反应。磁原子的情况尤其如此。“每个原子都带有一个叫做自旋的小磁矩。这些旋转相互影响，就像当你把它们靠近时指南针的针一样。如果你推他们中的一个，他们将开始以一种非常具体的方式一起行动，”该研究团队的领导者桑德·奥特解释说。但根据量子力学定律，每个自旋可以同时指向不同方向，形成叠加。这意味着量子信息的实际传递发生在原子之间，就像某种对话一样。”

锋利的针

在很大程度上，原子之间的这种信息交换可以导致令人着迷的现象。一个经典的例子是超导性:某些材料在临界温度下失去所有电阻率的效应。虽然在最简单的情况下大家都很清楚，但没有人确切知道这种效应是如何在许多复杂的材料中产生的。但可以肯定的是，磁量子相互作用发挥了关键作用。为了解释这样的现象，科学家们对能够拦截这些交流非常感兴趣;偷听原子间的对话。

在奥特的团队中，他们相当直接地做到了这一点:他们真的把两个原子放在一起，看看会发生什么。借助扫描隧道显微镜，这是可能的:在这种设备中，一根尖锐的针可以一个一个地探测原子，甚至可以重新排列它们。研究人员使用这种设备将两个钛原子放置在一纳米以上的距离，即百万分之一毫米的距离。在这样的距离下，原子只能探测到彼此的旋转。如果你现在转动其中一个旋转，对话就会自动开始。

通常，这种扭曲是通过向原子发送非常精确的无线电信号来实现的。这种所谓的自旋共振技术被成功地应用于量子位元的研究中，它的工作原理与医院里发现的核磁共振扫描仪非常相似。代尔夫特团队也可以使用这个工具，但它有一个缺点。《科学》杂志的第一作者、博士生卢卡斯·维尔德曼说:“它实在太慢了。”“你刚刚开始扭动一个，另一个就开始旋转了。这样的话，你永远也无法研究将两个自旋反向放置时会发生什么。”

非正统的方法

因此，研究人员尝试了一些非正统的方法:他们利用突然爆发的电流，快速地反转两个原子中的一个的自旋。令他们惊讶的是，这种极端的方法产生了一种美丽的量子相互作用，完全符合书中的描述。在脉冲期间，电子与原子碰撞，导致它的自旋旋转。奥特:“但我们一直认为，在这个过程中，微妙的量子信息——即所谓的相干性——会丢失。毕竟，电子是不相干的:每个电子在碰撞前的历史略有不同，这种混沌被转移到原子的自旋中，破坏了任何相干性。”

事实是，现在看来这似乎不是真的，这引起了一些争论。显然，每一个随机的电子，不管它的过去如何，都可以启动一个相干叠加:一个基本量子态的特定组合，这是完全已知的，它构成了几乎任何形式的量子技术的基础。

完美的叠加

来自亚琛工业大学和研究中心Jülich的共同作者Markus Ternes说:“问题的关键在于你问的问题。”电子使一个原子的自旋反转，使它指向，比如说，向左。你可以把这看作是一种测量，抹去所有的量子存储器。但是从由两个原子组成的组合系统的观点来看，结果的情况根本不是那么平凡。对于在一起的两个原子，新的状态构成了完美的叠加，使它们之间的信息交换成为可能。这一现象发生的关键在于两种自旋相互纠缠:这是一种特殊的量子态，在这种量子态中，它们相互分享的信息比经典情况下更多。”

这一发现对量子比特的研究具有重要意义。也许在那个研究中，你可以在初始化量子态时不那么小心。但对奥特和他的团队来说，这主要是更美丽实验的起点。维尔德曼:“这里我们使用了两个原子，但如果使用三个原子会发生什么?十个，还是一千个?没人能预料到，因为计算能力不足以应付这样的数字。也许有一天我们能听到以前没人能听到的量子对话。”