测量核自旋系整体的量子纠缠的新方法

　　这是该团队从代理电子量子位获得的三维光谱数据，自旋波模式对应于每个＂峰＂。水平方向上，量子位探测核系综的固定状态。在垂直方向上，核系综的状态由量子位元调节。谱的不对称性是原子核间量子关联的一个证据。这也具有一定的象征意义，因为这项工作是剑桥大学的研究人员和许多其他团队近20年持续研究的结果，以达到这种纠缠核集成的演示。来源:Gangloff等人。
　　量子物理研究的主要目标之一是测量由许多相互作用的粒子组成的大系统的量子态。这对量子计算机和其他量子信息处理设备的发展尤其有用。
　　剑桥大学卡文迪许实验室的研究人员最近推出了一种测量核系整体自旋状态的新方法，核系整体是由许多具有长寿命量子特性的相互作用粒子组成的系统。发表在《自然物理学》杂志上的一篇论文提出了这种方法，其工作原理是利用这个系统对集体自旋激发的响应。
　　＂对于量子物体的密集集合，比如自旋，不可能单独测量每个物体，以了解它们如何相互作用，＂开展这项研究的两名研究人员克莱尔·勒·Gall和Mete Atatüre告诉Phys.org。＂相反，人们可以在整体的集体反应中寻找泄密信号;有点像一群鸟的行为可能说明了鸟是如何相互交往的。我们感兴趣的系统是半导体量子点中的原子核自旋的一大群或整体。＂
　　2002年，哈佛大学的三位物理学家发现，半导体量子点中原子核自旋的大集合可能是固态量子存储器的潜在宿主，并在一年后发表了他们的研究成果。19年后，Le Gall (Atatüre)和他们的同事利用＂代理＂量子位(proxy quantum bit)研究了这种类型的核集成，正如他们在最新论文中所报道的那样，电子自旋同时与所有核自旋耦合。
　　＂我们最近取得了一个重要的里程碑，当我们展示了核整体(即自旋波)的集体模式可以通过电子相干地激发，＂论文的第一作者多里安·冈洛夫(Dorian Gangloff)说。＂在我们的新研究中，我们开始使用这些电子激活的自旋波来改变核整体的状态并读出它。这将展示一种通过电子自旋‘写入’和‘读出’的基本形式。＂
　　剑桥科学家提出的方法背后的想法是，可以被电子自旋激活的核自旋波模式的类型取决于被检测的核系综的状态。例如，一些自旋波模式增加了整体的偏振(即所有自旋指向＂上＂的程度)，而另一些自旋波模式则降低了它。这两种不同类型的自旋波模式的相对强度取决于一个集合‘向上’或‘向下’的程度。＂因此，对两者的测量可以提供有价值的见解，即每个核的自旋平均已经指向上或下，最终允许研究人员推断自旋种群。
　　＂但还有更多:如果核自旋事先相互作用，并建立了一些相互信息，在这种情况下可以是量子性质的，那么电子，作为一个与这些原子核一对一耦合的量子物体，将感受到这种预先存在的相互作用，＂Atatüre说。＂这改变了它可以激活的自旋波模式的强度，这就是我们的方法的独特之处。因此，结合对多个自旋波模式的测量，我们能够将电子作为整体中原子核间纠缠的‘见证人’。＂
　　研究人员使用＂代理＂电子自旋量子位元来观察多体系统的方法，为不依赖单个自旋读数来探测核整体打开了新的有趣的可能性。与之前提出的方法不同的是，他们的方法利用了代理量子位元与稠密核系综接触相互作用的固有连接性，最终从这些系统中提取出有趣的信息，包括它们的量子属性。
　　勒·加尔说:＂也许我们的方法可以类比为一个管弦乐队，在那里，人们可以判断音乐家们是否在不事先分别了解每种乐器的情况下一起演奏得很好。＂＂我们的研究还首次表明，半导体量子点(世界上最好的单光子源之一)中的核自旋系综可以容纳多个自旋纠缠，因此可以作为一种高效连接到光的大型量子资源。＂
　　在未来，探测核系综自旋态的新技术可能为新的量子技术的发展铺平道路。该研究小组现在正试图设计他们论文中研究的量子点，以确保它们的自旋集束具有更强的相干性，并显示出更多的量子属性。
　　冈洛夫说:＂如果我们想用量子点核来做量子存储器，这将是至关重要的。＂＂一旦我们实现了更多的相干性——特别是新一代的量子点，基于不同的生长方法，显示出比迄今使用的量子点非常有希望的百倍改进——我们的计划包括将原子核打造成永远受控的量子态，了解在这个多体系统中纠缠是如何丢失和如何保存的，并证明这种资源可以用于量子计算和量子通信。＂