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导读

什么是量子自旋?它又能为人类带来什么?

“自旋的发现与生长在物理学史上是一段极其绚烂的历史,与其直接相关的诺贝尔奖就有十多次。然而,我们对神秘的自旋还没有完全领会清晰。”

彭新华

中国科学手艺大学教授

人人好,我叫彭新华,来自中国科学手艺大学,从事量子信息领域的研究。今天想和人人一起分享的主题是在量子天下,或者说微观天下中,最基本、最神秘、也最难明的一个特征――量子自旋

许多人一听到量子,可能就会忧郁接下来的内容会听不懂。实在没有关系,著名的物理学家、量子力学的首创人玻尔曾经说过:“谁纰谬量子力学感应疑心的话,他就没有明白它。”因此,若是你有了疑心,说明你最先逐渐明白它了。

那么,就让我们一起来看看量子自旋到底是什么。

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电子自旋假设:假设电子能像地球一样自转起来

说到自旋,人人可能会马上想到自转。我们熟悉的地球就始终绕着它的自转轴转动着,另有小同伙们经常玩的陀螺、悠悠球等都有自转的征象。

而天下是由原子组成的,电子则是绕着原子核在做高速运动。那么,电子会不会有像地球那样的自转征象呢?科学家通过一个异常意外的发现,证实了电子存在类似于自转的征象。

1896年,著名的荷兰物理学家塞曼做了一个异常有趣的实验。他观察到钠原子的光谱在磁场中盘据成3条的征象,而且获得了很好的理论注释。这就是著名的塞曼效应。

第二年,普雷斯顿在塞曼的实验基础之上,对锌原子和镉原子做了同样的实验,然则观察到的却是差其余盘据情形。即盘据的谱线不再是3条,而是会有更庞大的盘据。这个反常的盘据把那时的物理界弄得很疑心。

在快要20年之后,荷兰两位异常年轻的物理学家乌伦贝克和古兹米特,提出了一个勇敢的假设,即假设电子能像地球一样自转。这就是著名的电子自旋假设,而它很好地注释了适才谁人反常的谜团。

然则我们设想一下,若是电子真的自转起来会发生什么样的征象?

凭证现在的丈量数据,电子的半径尺寸是异常小的,远远小于1飞米(10-15米)。假定电子是一个电荷和质量平均漫衍的带电刚性小球,我们把这样一个异常小的小球自转起来,通过盘算,会发现它外面的线速率要远远跨越光速。而这是不能能存在的,由于它违反了物理学的基本原理。这也就意味着电子的自旋并不即是自转。

电子的自旋不即是自转

幸运的是,在不久后,英国的物理学家狄拉克将量子力学和相对论连系起来,生长出了狄拉克方程,自然导出了电子自旋,而且获得它的自旋角动量量子数为1/2。这样我们就可以发现电子自旋完全属于量子的局限,它没有任何经典的对应。

那么,这样一个诡秘的自旋另有什么样的特征呢?

在量子力学中,另有许多神秘的特征。好比说在量子天下里,所有器械都是量子化的,只能取一些不延续的状态,就像我们爬楼梯只能一阶一阶地去爬。而经典天下就像坐电梯,是一个延续的历程。也就是说在量子天下里,我们只有1、2、3、4这样的状态,没有1.1、1.2。

电子自旋就是云云,电子自旋在磁场中角动量的取值也是不延续的,它只有两个星散的值,即1/2 或者-1/2,不能能有其他的值存在。这也是电子自旋1/2的由来。

量子力学里另有一个异常巧妙的特征,就是量子叠加。即作为一个量子的物体或者粒子,它能够同时处在差其余状态。

量子自旋和自转的区别

就拿陀螺来说,通俗人去玩陀螺只能让它正转或者反转,它只能够处在一种状态。但若是你是在玩一个量子的陀螺,就完全纷歧样了,它可以泛起一种同时存在正转和反转的状态。人人是不是感受量子力学很诡秘了?

同样,其他的微观粒子也具有自旋,如我们熟悉的光子自旋为1,中子自旋为1/2。现实上,自旋是微观粒子所具有的内禀属性。

�荣魇粜跃褪侵噶W踊�个性子,犹如它的质量和电荷一样。好比说电子、光子或者中子,它们的质量、电荷和自旋都有确定的值,改变了就不是电子、光子或者中子了。

我们还可以拿经典的陀螺做对比。在经典天下玩陀螺的时刻,它可以自转,自转的速率也可以改变。然则不管它自转的速率是若干,这个陀螺照样这个陀螺,它没有转变。那也就意味着在经典天下里,角动量或者自转不是经典物体的一个内禀属性。而通常来说,微观粒子具有这种内禀自旋。

然则为什么会具有这样一种内禀自旋,它到底是怎么来的?科学上我们也无法注释。

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小到原子,大到众多宇宙,自旋与我们生涯的一切息息相关

我们适才说到,天下都是由原子组成的,原子、电子、中子等微观粒子都有自旋,也就意味着自旋是无处不在的。小到原子,大到众多的宇宙,我们生涯中的一切都与自旋息息相关。这种自旋的征象对我们到底有什么意义呢?它有哪些用途?

给人人举几个例子。首先就是现代存储,它是与自旋息息相关的。与现代存储相关的巨磁阻效应现实上引爆了一场磁性内存的革命,使得现在一个小小的U盘就能够存储大量的数据。我可以自豪地告诉人人,自旋现实上开启了现代磁学的黄金时代

再举一个人人异常熟悉的例子,人人或许都去医院做过核磁共振(磁共振成像),但许多人可能还不知道,实在核磁共振就与自旋相关。探测的信号就是我们人体内氢核自旋的信号,通过剖析氢核自旋信号就能够诊断出疾病。

在医院做核磁共振检查的时刻,通常在检测室外能够看到“当心强磁场”的标志,医生也会叫你取下身上的金属物、项链,另有磁卡等物品,这是为什么呢?

医院的核磁共振装备

这张图上的圆形装置现实上是一个超导磁体,它提供了一个强磁场,做核磁共振检查一定要在这个磁场下举行。也就是说,有了这个磁场才气够去探测身体中自旋的信号。戴有心脏起搏器的人群会被阻止做这一项检查,就是由于这个强磁场会影响到起搏器所用的金属。

那是不是戴心脏起搏器的特殊人群就永远无法接受核磁共振的检测呢?于是问题就酿成了,我们有没有可能不需要磁场也能够对身体做核磁共振呢?

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零磁场核磁共振:让心脏起搏器不再是障碍

近年来,国际上有多个研究组包罗我们也在朝着这个偏向起劲,研制一种新型的零磁场核磁共振谱仪,它在没有磁场的情形下,也能够对身体内的自旋信号做磁共振。

下图中央这台谱仪是我们最近开发的一台零场核磁共振谱仪。这是我们研究组和美国的加州大学伯克利分校的D. Budker教授(图左)配合研发的功效。在这个装置内里最主要的一个器件,就是下图右边展示的原子磁力仪。

下图我手里拿的是一个特制的玻璃泡,这个泡内里充满了一种碱金属的原子蒸汽。这种碱金属的原子就是带自旋的,且能够很好地感受到极其微弱的磁场。因此,零场核磁共振就是依赖于原子自旋磁力计的生长。

在这个方面,我们研究组经由了近十年的起劲,研制了若干代的自旋磁力仪,我们对磁场的探测能力也在不停地提升。

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好比说,在2019年,我们已经能够探测到约是地磁场100亿分之一的极微弱磁场信号。

人人可能对这个数据没有直观的感受,我做一个简朴的譬喻。这个磁场的巨细,就相当于我们把一块小磁片贴在近万米高空航行的飞机上,然后在地面上我们的自旋磁力计也能够感受到这个小磁片发生的磁场。固然我们另有提高的空间,我们研究组还在不停地提升探测能力。

我再给人人先容一下在零磁场核磁共振偏向,我们和国际上的一些研究小组,到底做到了什么水平。

我们研究小组主要是在做分子结构的检测。相比于传统的高场核磁共振,我们能够获得更清晰的分子结构谱图,来开展结构的剖析(下图左)。

人人可能会注重到,下图第二张图就是在零磁场的环境下,做到了对金属容器内部的水成像。这就解决了我们适才说的,配戴心脏起搏器的特殊人群不能够做核磁共振的问题。

此外,这里还展示了从一个从分子到金属,然后到人体组织的零场核磁共振,如右边两张图展示的手指和人脑的成像。只管现在成像的清晰水平还不如传统的磁共振成像,然则它没有强磁场、更平安,而且另有一个很大的优势,就是很廉价、成本很低。若是未来能够进入到医院的话,就会大大地降低医疗成本,以是它的应用远景是异常普遍的。

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助力暗物质探测

除了核磁共振,量子自旋磁力计还对基础物理的研究起到了很大的辅助。

人人知道宇宙是由什么组成的吗?从现在的理论可以知道,现实上宇宙大部门都是由看不见摸不着的暗物质与暗能量组成,只有5%是我们看得见的物质。

探测这样的暗物质、暗能量就成为了现在国际上竞争的热门问题。许多研究小组最先去寻找暗物质的踪迹。那么若何寻找呢?我举两个海内著名的上天入地的例子。

一个是航行在高空的”悟空”号暗物质探测卫星(下图左),另有一个是安装在四川锦屏地下的PANDAX探测器(下图右)。它们配合的特点是异常适合征采高能区、大质量的暗物质粒子候选者,但它们都需要借助于我们国家的大科学平台,是耗资伟大的项目。

悟空号 PANDAX

除了这些高能区的暗物质粒子候选者,现实上另有一类低能区、超轻质量的暗物质粒子候选者,好比说轴子和暗光子。对于这一类的暗物质粒子,适才说的大型科学仪器就无能为力了。

那怎么去探测它们呢?

下图展示的是我们最近在实验室研发的一种基于自旋的暗物质探测器,若是在这台探测器上我们发现了暗物质粒子候选者,如轴子或者暗光子的迹象,那就说明我们探测到了暗物质。

基于自旋的新型微激射器,可以在实验室里寻找暗物质

看到这人人可能会疑惑,我们事实是怎么探测暗物质的?

简朴来说,就是当暗物质粒子,如轴子,遇上自旋的时刻就会发生相互作用,相当于发生一个异常微弱的等效磁场,至于到底有多微弱,科学家们现在都无法展望。

但这个磁场能够用我们的自旋去丈量,即若是探测出信号,那就说明这个相互作用存在,也即说明晰暗物质的存在。相比于适才上天入地的探测器,我们这里生长了一种桌面式探测装置,从成本和价钱来说固然是异常经济的。

那么人人可能会问,这么多人都在征采暗物质,到底有没有找到呢?

这里先给人人展示一个大型天文学观察的效果,这是一个暗光子的实验效果。横轴示意的是暗光子――一种超轻质量的暗物质粒子候选者――的质量,纵轴示意的是暗光子跟自旋相互作用的强度。这个相互作用强度越弱,就代表着它在自旋上发生的磁场就越弱,也就意味着我们更难以去探测到。这是用天文学探测方式给出的一个界线。

大型天文学观察给出的暗物质界线

由于没有信号,在这个界线以上我们已经可以清扫暗物质的存在。然则在这个界线以下,我们并不知道暗物质是否存在。这是受限于天文探测的丈量能力。那也就意味着暗物质要是存在的话,也是在这个界线以下。

“桌面式”实验观察”给出的暗物质界线

再看看我们最近的实验效果。人人发现了什么?这个界线往下拉了。那也就意味着我们的探测能力比适才说的天文探测更强了。

这个纵轴代表的相互作用强度削弱到近100分之一,也就意味着我们的丈量能力提升了快要100倍。这个效果告诉我们暗物质只可能存在于这个界线以下。

很遗憾我们现在都没有发现暗物质,至于往后能不能够发现,还需要我们不停地起劲。我也期待着这个神秘的自旋小精灵来把暗物质照亮。

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量子盘算:将十五万年缩短到一秒钟

我们适才说了量子自旋能够做核磁共振,能够做暗物质探测,它还能够做什么呢?

最近的商业战使得人人对芯片的生长异常体贴,我们国家对芯片的生长也异常关注。这里展示了我国芯片的生长历程。

到2018年,芯片的巨细生长到了7纳米,那能永远这样生长下去吗?有没有物理极限?

原子的巨细约为0.2纳米,这意味着芯片生长到最后,都市被某个物理极限所限制。那怎么解决这个问题呢?现实上量子盘算给了我们一个解决的途径。

这里简朴先容一下量子盘算到底是怎么举行的。

在经典盘算中,信息的基本单元是比特,编码为二进制0和1。可以用高电平代表0,低电平代表1,我们可以对其举行操作。然则在某一个时刻它只能处在一个状态,即要么0、要么1。

然则之前我说了量子自旋具有叠加性,也就是说它可以同时处在多种差其余状态。这也就意味着,我们可以同时对这些状态举行操作。

一个自旋比特有两种差其余状态同时存在,就相当于有两台我们平时的电脑并行事情;两个自旋比特有四种差其余状态同时存在,就相当于四台平时的电脑并行事情;那么,十个自旋比特就相当于有1024台平时的电脑并行事情。

这种增进的方式人人可能还没有一个直观的看法。举个例子:人人可以把一张纸对折,若是对折30次就是2的30次方。2的30次方能够到达多高呢?可以到达珠穆朗玛峰的海拔高度。若是你对折50次,厚度就能够到达太阳与地球之间的距离了。若是有300个自旋比特,即2的300次方,那就比我们整个宇宙中所有的原子加起来的总和还要多。

再举一个形象的例子:这种并行就犹如孙悟空能够七十二变,召唤出千万万万个兼顾的孙悟空,那完成义务的效率就大大提高了。

这么壮大的效率能够做什么?它能够解决我们经典盘算上不能够解决的一些问题,好比说大数质因子剖析。

经典盘算机和量子盘算机处置大数质剖析问题的效率差异

这里人人可以看出,经典盘算机需要15万年时间才气解决的问题,一台量子盘算机1秒钟就能够解决了。

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让自旋带给我们更灼烁的未来

自旋的发现和生长在物理学史上是一段极其绚烂的历史,与其直接相关的诺贝尔奖就有十多次,包罗了物理、生物、化学领域。然而,我们对自旋还没有完全领会清晰。只管自旋看上去异常简朴,但实在它是异常神秘的。

我们能够用它来做核磁共振,也可以用它来探测暗物质,还可以用它来做量子盘算机。对我而言,能够从事自旋相关的研究是让我感应异常幸福的一件事情,也希望有兴趣的年轻人能够加入我们的团队,让自旋给我们带来更灼烁的未来。

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     发布于 2021-09-15 00:10:10  回复
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     发布于 2021-09-16 00:09:11  回复
  • 空间站上茅厕费时艰辛,看看上图你就明了了,上茅厕前还得先把自己牢靠住。要是举行几个小时的舱外流动,航天员还得穿上纸尿裤,防止尿裤子。现已加入我的最爱
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    更好一点也不是问题

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