58 年后，核磁共振先驱的假设终于印证。
澳洲时间 2020 年 3 月 11 日，《自然》（Nature）刊登澳洲新南威尔士大学（The University of New South Wales，UNSW）量子工程科学教授 Andrea Morello 团队《Coherent electrical control of a single high-spin nucleus in silicon》（硅中单个高自旋核的相干电控制）论文。
一次实验失误意外帮助研究团队动摇了核磁共振公式，是量子电脑和感测器的突破。
核磁共振公式动摇
论文提到“核自旋”概念。
化学元素是指有一定核电荷数的原子，原子由原子核和绕核运动的电子组成。所谓核自旋，即原子核自旋角动量，其实是原子核的特徴之一──原子核由质子和中子组成，质子和中子都有各自固定的自旋角动量，在核内还有轨道运动，相应有轨道角动量，所有角动量总和就是原子核的自旋角动量。
核自旋透过磁共振的控制和侦测，广泛用在各领域，如化学、医学、材料科学和采矿。同时，核自旋也出现在早期固态量子电脑提案及量子搜索和分解算法。
具不同磁性的物质在一定条件下可能出现不同磁共振，如铁磁共振、亚铁磁共振、反铁磁共振、核磁共振等等。
“核磁共振”想必大部分人都听过，如今医学领域核磁共振成像是常见的影像检查法。核磁共振技术对很多领域都非常有效，但对另外某些领域而言，还是有局限性。
核磁共振先驱、诺贝尔物理学奖得主 Nicolaas Bloembergen 于 1961 年首次提出只用电场控制单原子核的假设，半世纪以来，这假设始终未印证，直到最近 Andrea Morello 团队宣布发现了“核电共振”。
▲ Andrea Morello（左）与团队。
这发现动摇了核磁共振公式──这是因产生磁场需要大线圈、大电流，效应范围很广，很难把磁场控制在非常小的空间；而电场可于微小电极的尖端产生，能在远离电极尖端的位置急剧下降。如 Andrea Morello 教授所说：
磁共振就像抬起整个台球桌晃动，来移动台球。电共振突破就像拥有一根台球杆，可精准击球。
实验室天线爆炸是成功的关键
提到研究初衷，Andrea Morello 教授表示：
半个多世纪以来，核电共振领域几乎处于休眠状态。20 年来，我一直在研究自旋共振，其实我们这次发现完全是偶然。
据 UNSW 官网介绍，研究团队起初是用锑（Sb，有很大核自旋）原子进行核磁共振。论文作者之一 Serwan Asaad 博士（上图右）解释：
我们最初目标是探索由核自旋的混沌行为决定的量子世界和经典世界的边界，纯粹是好奇心驱动，没有考虑应用。但原子核的反应很奇怪，某些频率没有反应，但在其他频率反应强烈。
这让研究团队困惑，直到意识到他们做的是电共振，而非磁共振。
因此，研究员制造由锑原子和特殊天线组成的装置，经过最佳化，装置产生高频磁场控制原子核。实验需要强力磁场，因此研究人员输入很大功率，所以天线就爆炸了。
如果他们实验用的是燐一类较小的原子核，那么天线炸毁，装置就无法使用，游戏结束。
但这次“失败”恰好是成功关键──由于使用锑核，天线毁了之后产生强力电场，他们发现了核电共振。
为硅量子电脑铺路
证明电场控制原子核的能力之后，研究人员利用微观理论模型，理解电场如何精确影响原子核自旋。
具体来讲，上述模型揭示核电四极相互作用的纯电调制，如何导致因晶格应变而唯一可定址的相干核自旋跃迁。自旋去相位（把相干讯号迅速打散，使不想要的残余讯号迅速衰减，进而减少对后面有用讯号的影响）时间（0.1 秒）比透过需要耦合电子自旋达成电驱动获得的时间长几个等级。
结果表明，利用全电控制，高自旋四极核可当作混沌模型、应变感测器，以及自旋─机械混合量子系统。将电力可控核与量子点整合，为可伸缩、基于核和电子自旋的硅量子电脑铺路，保证不需要振荡磁场的情况下工作。
研究团队发现核电共振是真正的局部微观现象──电场使原子核周围的原子键（指两个原子透过共用电子对产生的化学键）重新定向。
Andrea Morello 教授也表示：
这发现意味着现在有一条利用单原子自旋构建量子电脑的途径，不需要任何振荡磁场。此外，用这些原子核为精确的电场和磁场感测器，可解答量子科学的基本问题。
研究团队也详细展示使用硅奈米电子器件内产生的局部电场，控制单锑核的相干量子。
▲ 使用奈米技术的电极局部控制硅片单锑原子核的量子态。
Andrea Morello 不仅是新南威尔士大学量子工程科学教授，也是雪梨一家基于新南威尔士大学的量子计算和通讯先进技术中心专案经理，并于 2017 年 8 月成立澳洲第一家量子计算公司 Silicon Quantum Computing Pty Ltd.，旨在推动量子电脑发展并商业化。
2017 年 9 月，Andrea Morello 团队发明基于“自旋翻转型量子位元”的量子电脑架构，使大规模制造量子芯片的成本和难度大幅降低，并在期刊《自然通讯》（Nature Communications）发表论文。
（Source：UNSW）
Andrea Morello 等人曾表示：
我们计划 2022 年研发出 10 量子位元的硅基积体电路芯片，这将是世界第一台硅量子电脑迈出的第一步。
- 工程师意外破解一个量子谜题，或将颠复核磁共振
（本文由 雷锋网 授权转载；首图来源：影片截图）
