外部场驱动钻石内部的量子粒子，从而创造出一个长寿的量子系统。资料来源:圣路易斯华盛顿大学

由量子飞跃中心支持的研究推进了使用原子级量子系统的量子模拟领域。

钻石通常因其无瑕的光泽而受到珍视，但物理学助理教授崇祖(音)在这些天然晶体中看到了更深层次的价值。据物理学领域最负盛名的期刊之一《物理评论快报》报道，祖和他的团队在将钻石变成量子模拟器的探索中迈出了重要的一步。

研究团队及机构部分支持

该论文的共同作者包括物理学教授Kater Murch和博士生Guanghui He, Ruotian (Reginald) Gong和Zhongyuan Liu。他们的工作部分得到了量子飞跃中心的支持，这是艺术与科学战略计划的一个标志性倡议，旨在将量子见解和技术应用于物理学、生物医学和生命科学、药物发现和其他影响深远的领域。

钻石的蜕变

研究人员通过用氮原子轰击钻石来改造钻石。其中一些氮原子会把碳原子移走，在原本完美的晶体上产生缺陷。由此产生的空隙被电子填充，这些电子具有自己的自旋和磁性，量子特性可以被测量和操纵，用于广泛的应用。

正如祖和他的团队之前通过对硼的研究所揭示的那样，这种缺陷有可能被用作对环境和彼此做出反应的量子传感器。在这项新研究中，研究人员专注于另一种可能性:使用不完美的晶体来研究极其复杂的量子世界。

经典计算机的局限性

经典计算机(包括最先进的超级计算机)不足以模拟量子系统，即使是那些只有十几个量子粒子的系统。这是因为随着每个粒子的加入，量子空间的维度呈指数增长。但新的研究表明，使用可控量子系统直接模拟复杂量子动力学是可行的。“我们精心设计了我们的量子系统，创建了一个模拟程序，并让它运行，”祖说。“最后，我们观察结果。这是使用传统计算机几乎不可能解决的问题。”

有前途的进步

该团队在这一领域的进展将使研究多体量子物理学中一些最令人兴奋的方面成为可能，包括实现物质的新阶段和预测复杂量子系统的新兴现象。

在最新的研究中，祖和他的团队能够使他们的系统稳定长达10毫秒，这在量子世界中是一段很长的时间。值得注意的是，与其他在超低温下运行的量子模拟系统不同，他们的钻石系统在室温下运行。

维护系统稳定性

保持量子系统完整的一个关键是防止热化，即系统吸收了太多的能量，以至于所有的缺陷都失去了它们独特的量子特征，最终看起来一模一样。研究小组发现，他们可以通过快速驱动系统，使其没有时间吸收能量来推迟这一结果。这使得系统处于相对稳定的“预热化”状态。

新的基于钻石的系统允许物理学家同时研究多个量子区域的相互作用。这也为越来越灵敏的量子传感器开辟了可能性。“量子系统的寿命越长，灵敏度就越高，”祖说。

跨学科合作

祖和他的团队目前正在与华盛顿大学量子飞跃中心的其他科学家合作，以获得跨学科的新见解。在艺术与科学学院，Zu正在与物理学副教授Erik Henriksen合作，以提高传感器的性能。他还计划用它们来更好地理解在物理系助理教授盛然的实验室里创造的量子材料。他还与地球、环境和行星科学教授菲利普·斯克默(Philip Skemer)合作，从原子水平上观察岩石样本中的磁场;并与物理学助理教授尚卡尔·穆克吉(Shankar Mukherji)合作，对活生物细胞中的热力学进行成像。

参考文献:“金刚石中无序偶极自旋综中的准floquet预热化”，作者:何广辉，叶炳田，龚若天，刘中原，Kater W. Murch, Norman Y. Yao，祖崇，2023年9月27日，物理评论DOI: 10.1103 / PhysRevLett.131.130401