量子力学中一个物体体系的状态（一个与经典过程几乎相同的量子过程）

量子力学中一个物体体系的状态（一个与经典过程几乎相同的量子过程）在一项新的研究中，物理学家Norman Yao等人通过向钻石晶格中植入多个不同的自旋缺陷，创建了一个三维系统，在这个系统中，自旋分散在整个体积中。通过运用一系列测量技术，他们发现自旋在量子力学系统中的运动方式，几乎与染料在液体中的运动方式相同。在自然界中，钻石晶体结构中的每个碳原子都与其他四个碳原子相连，当其中一个碳原子被另一个完全不同的原子所取代时，由此产生的缺陷有时就会表现得像一个有着定义良好的自旋的原子系统。钻石中的这些缺陷就像一些粒子一样，可以“自旋向上”，或者“自旋向下”。自旋缺陷目前，NPQC的许多研究成果都集中在一些基于自旋缺陷（spin defect）所创立的量子平台。自旋缺陷是材料结构中的一种特定缺陷，在正确的情况下，这些自旋缺陷可以接近完美的量子相干，从而可被用于创建高精度的传感平台。每个自旋缺陷对环境中极其微小的波动都有响应，这些缺陷的集合可以达到前所未有的精度。但是

量子相干

1998年，一组研究人员使用单分子首次进行了简单的量子计算。当时，他们用无线电波脉冲来翻转一个分子中的两个核子的自旋，它们的自旋要么向“上”，要么向“下”，这种存储信息的方式就和经典数据位中以“0”或“1”的状态存储信息一样。

对于早期的量子计算机来说，两个核子的结合态（分子的量子态）只能短暂地维持在特定的环境中，整个系统会很快就失去其相干性。对量子相干的控制，始终是建造量子计算机的关键，也是其中极为困难的一步。一直以来，许多物理学家团队都在试图发展新的途径来创建和保护量子相干。

2018年，为了推进这方面的研究进展，加州大学伯克利分校的物理学教授Joel Moore创建了一个名为NPQC（材料量子相干新途径中心）的研究中心，他希望能够更快地在些问题上取得突破。他们有三个主要的研究重点，包括开发新的量子传感平台，设计能够承载复杂量子态的二维材料，并探索能够通过量子过程对材料的电子和磁性进行精确操控的方法。

自旋缺陷

目前，NPQC的许多研究成果都集中在一些基于自旋缺陷（spin defect）所创立的量子平台。自旋缺陷是材料结构中的一种特定缺陷，在正确的情况下，这些自旋缺陷可以接近完美的量子相干，从而可被用于创建高精度的传感平台。每个自旋缺陷对环境中极其微小的波动都有响应，这些缺陷的集合可以达到前所未有的精度。

但是，要在一个有着许多自旋，且所有自旋都在相互作用的系统中理解相干性的演化，是一件非常困难的事。为了应对这一挑战，NPQC的研究人员将目光投向了钻石——这是一种可被用于量子传感的理想材料。

在自然界中，钻石晶体结构中的每个碳原子都与其他四个碳原子相连，当其中一个碳原子被另一个完全不同的原子所取代时，由此产生的缺陷有时就会表现得像一个有着定义良好的自旋的原子系统。钻石中的这些缺陷就像一些粒子一样，可以“自旋向上”，或者“自旋向下”。

在一项新的研究中，物理学家Norman Yao等人通过向钻石晶格中植入多个不同的自旋缺陷，创建了一个三维系统，在这个系统中，自旋分散在整个体积中。通过运用一系列测量技术，他们发现自旋在量子力学系统中的运动方式，几乎与染料在液体中的运动方式相同。

他们将新的发现发表在《自然》上，并提出，染料的扩散为理解量子相干提供了一条新的成功路径。

菲克定律

一直以来，描述物质在量子力学层面上的行为都是非常困难的，因为一旦系统中所涉及的粒子数变得多起来，与之相关的方程就变得很难求解。这就类似于，在经典物理学中，要计算染料颗粒在一杯水中的精确轨迹同样不容易，这种难度主要来自这些颗粒会被水分子以各种方式撞击。但实际上在描述这类运动时，科学家并不需要真的追踪每一个分子。根据菲克扩散定律，物质的流动与它的浓度梯度成正比。

菲克定理是颗粒度（coarse grain）的一个例子，颗粒度这一概念常用于流体力学，比如说，流体可被视为是许许多多的小“包裹”的集合，每个“包裹”中含有许许多多个分子，这些分子会相互摩擦移动。在新研究中，Moore与Yao等人正试图用这种方法来描述量子多粒子系统。

Moore说，流体动力学通常研究的是一个系统如何从局部平衡过渡到整体平衡。流体力学方程假设，任何关于初始状态的详细信息，比如粒子在哪里以及它们如何运动，都会在它们一旦与其他粒子经历几次相互作用后就很快丧失。接着，流体方程便可以非常精确地描述更长时间尺度上（从微秒到年）的一切。

在一个钻石立方体中，中心有一个具有过量自旋的“包裹”像液体中的染料一样扩散开来。| 图片来源：Berkeley Lab

他们分析了一个含有两种自旋的微小钻石晶体，这两种自旋都是由碳晶格中具有缺陷的未配对电子产生的。一种缺陷被称为P1中心，它是由一个氮原子取代了一个碳原子组成；另一种缺陷叫作NV缺陷，它由晶格中的一个空穴和旁边的氮替代组成。这些自旋可以在原子相隔甚远的距离内“感知”彼此。

在钻石形成过程中，用一个氮原子（黄球N）替换一个碳原子（绿球），并让另一个原子留下一个空穴（紫色V），就会产生一个常见的具有明确自旋特性的缺陷。| 图片来源：NIST

为了理解自旋会如何演化，研究人员利用NV缺陷来建立扰动和探测响应，他们用激光脉冲来使这种自旋在一个区域极化，然后利用磁场将这些自旋与P1自旋耦合，形成共振。接着，他们监测了这种扰动会如何在P1自旋中传播。

Yao介绍说，他们原本期待，这个过程可以用薛定谔方程来描述，但测量结果表明， 如果只是以稍微粗粒度的分辨率来测量自旋密度，那么描述整个动力学的微分方程可以比薛定谔方程简单得多——它可以更像扩散方程。换句话说，这个量子过程与经典过程的动力学基本相同。

不完美契合

然而，自旋的行为并不能与扩散过程完美契合。Moore解释说，部分原因在于与碰撞的粒子不同的是，自旋可以在很远的距离内感受到彼此；另外，还有一种可能是P1缺陷在晶格中可能并不完全相同，每个缺陷周围的原子可能有轻微不同的局部排列，从而产生一些随机无序。

尽管如此，新的研究结果表明，在粗粒度的水平上，多体系统的动力学过程可能并不“在乎”支配它们的是量子物理学还是经典物理学，而是更多地依赖于粗粒度组件之间的一般相互作用，而不是它们的微观细节。

有物理学家认为，这项实验工作是一个令人惊叹的壮举，它证明了这种不同于传统扩散的流体力学机制，是理解量子物理所允许的不同动力学的关键一步。

#创作团队：

编译：小雨

#参考来源：

https://newscenter.lbl.gov/2021/10/12/team-unlocks-quantum-future/

https://physicsworld.com/a/evolution-of-quantum-spins-looks-surprisingly-classical/

https://www.nature.com/articles/s41586-021-03763-1

#图片来源：

封面图：Norman Yao / Berkeley Lab