基础物理研究取得新进展，量子物理学家即将登上历史舞台

▲一根电子束击中了纳米钻石，激发了等离子体和纳米钻石内部的粒子振动，让它们与实验样品的氮-空位中心的缺陷发生相互作用。

据《物理评论B》和《光学快报》日前发表的两篇文章称，美国能源部下属橡树岭国家实验室（Oak Ridge National Laboratory）的科学家们取得了基础物理研究领域的重大进展，为人类很好地控制活泼多变的量子系统和量子材料铺平了道路。这些研究成果将进一步推动一系列与量子相关的计算、传感、模拟以及材料开发等领域的进步与发展。

科学家们普遍认为，量子信息是脆弱而易变的，因为当它的编码系统与它所在的环境发生相互作用时，信息就会丢失——科学家把这个过程称为“耗散”。ORNL旗下计算和计算科学以及物理科学的理事们同美国田纳西州范德堡大学(Vanderbilt University)的科学家们联袂研究开发了一些新型技术手段，可以帮助他们控制或驱动量子系统中固有的“泄漏”耗散现象。

“我们的研究目标是开发出一种实验平台，从而让我们能够探测和控制物质材料中的量子相干动力学活动。而要做到这一点，你通常必须要在纳米尺度上了解物质的状态和变化。”ORNL量子信息科学组量子传感团队（Quantum Sensing Team）的研究员本杰明•劳里（Benjamin Lawrie）介绍说。

这些科学家将量子信息科学、纳米科学和电子显微术的视角与观点相融通，利用人类现有的物质材料知识和对光和声音物理特性的了解，来对仅仅只有十亿分之一米的纳米结构的量子特性进行测试和研究。

在第一篇文章中，范德堡大学的研究生马修•费尔德曼（Matthew Feldman）的实验是利用高能电子束激发钻石纳米粒子中的氮-空位，从而使它们发光，然后再使用ORNL材料科学技术部拥有的一台阴极发光显微镜，通过测量辐照材料中可见光光谱中的冷光，来收集发射出的光子，从而掌握氮-空位中心、等离子体以及纳米钻石内部粒子振动之间高速相互作用状态的特点和细节。

另一篇的研究文章描述了ORNL纳米材料科学中心的博士后研究员乔丹•海克特（Jordan Hachtel）利用阴极发光显微镜在金纳米螺旋管中激发等离子体，从而对如何用螺旋的几何图形来聚集纳米系统中的能量进行了探索。

在ORNL量子信息科学组的研究员尤金•杜米特雷斯库（Eugene Dumitrescu）的探索模型中，如果要维持长时间的量子纠缠，那么必须要在纳米尺度上实现对能量转移的精确控制。杜米特雷斯库于2017年末在《物理评论A》杂志上发表的研究文章表明，费尔德曼收集的光子统计数据可以用来计算出量子纠缠度。

劳里补充说：“这项研究增进了我们对如何控制光与物质之间相互作用的认识，为一种先前只能通过模拟运算来描述的现象提供了实验证明和支撑。”费尔德曼认为，对于量子物理学家来说，这是一个令人着迷的时代，因为此时的量子计算领域所处的阶段和20世纪中期的经典计算领域如出一辙。“最让我感到兴奋的是，目前的研究会为我们对量子系统和量子材料的理解带来怎样的改变与提升。”他说。

科界原创

彩色文字 编译：朱明逸 审稿：三水 编辑：张梦

来源：https://phys.org/news/2018-03-quantum-scientists-driver-seat.html