《自然·通訊》重磅成果：首次實現單個核自旋的單次讀出

近年來，原子尺度的量子科學取得了迅速發展，尤其是在能夠操縱和測量單個粒子量子態的技術方面。作為量子信息存儲的候選者之一，核自旋顯示出極大的潛力。與電子自旋相比，核自旋與環境的相互作用更弱，因此能夠在極長的時間尺度上保持其狀態。這使得它們成為穩健的量子信息載體。

然而，這種“隔離性”也帶來一個問題：核自旋難以直接訪問和讀出，尤其是在單原子層面。傳統的實驗大多依賴平均測量，即對無數個原子的核自旋信號取平均，從而掩蓋了單個核自旋的狀態。實現所謂的單次讀出——能夠實時、高保真地測量單個核自旋的瞬時狀態——長期以來一直是凝聚態物理與量子技術領域的一大挑戰。

最近，發表在《自然·通訊》的論文實現了這一突破：他們利用掃描隧道顯微鏡與電子自旋共振的結合，首次在單個吸附在表面上的鈦原子 (??Ti) 上成功實現了核自旋的單次讀出。這一成果不僅在基礎量子科學中具有里程碑意義，也為未來原子級量子計算、量子傳感和量子模擬應用奠定了重要基礎。

背景：為什么核自旋如此重要

核自旋的吸引力在于其超長相干特性。由于磁矩遠小于電子自旋，核自旋與環境的耦合極弱，因此其壽命 (T?) 和相干時間 (T?) 都遠長于電子自旋。

在量子信息技術中，核自旋非常適合充當“長期存儲量子比特”，而電子自旋則可以作為易于操控和快速操作的“中介”。事實上，許多量子計算方案都基于這種電子–核自旋的混合系統。因此，能夠在固體表面上控制和讀出單個核自旋，代表著朝著可擴展、原子精確的量子器件邁出了關鍵一步。

在此之前，大多數核自旋讀出依賴于整體測量（如 NMR、ESR），或者局限于體材料中的單個缺陷（例如金剛石中的氮-空位中心）。直接在表面實現單個核自旋的讀出從未實現過，這正是本實驗的突破所在。

實驗突破：一種新型顯微鏡

研究人員通過結合兩種強大的技術解決了這個問題：掃描隧道顯微鏡（STM）和電子自旋共振（ESR）。STM使用一個原子級鋒利的針尖掃描表面，測量從針尖流向樣品的電子量子隧穿電流。雖然STM在成像方面非常出色，但它本身對核自旋不敏感。

這項實驗的獨到之處在于它使用了一種中間媒介。研究團隊選擇了一個鈦-49原子，并將其放置在一個非磁性表面，即氧化鎂薄膜上。關鍵在于，鈦原子的電子自旋通過一種被稱為超精細相互作用的量子力學現象，與其核自旋緊密耦合。這種耦合意味著電子自旋的狀態直接取決于核自旋的狀態。電子自旋就像一個信使，將核自旋的狀態信息傳遞給外部世界。

單次讀取協議

為了進行單次讀取，研究人員使用了一種脈沖測量方案。他們發送一個簡短的射頻（RF）能量脈沖，該脈沖的頻率經過精細調節，只有當核自旋處于特定狀態時，它才會翻轉電子自旋。當電子自旋翻轉時，從STM針尖流出的隧穿電流會發生獨特且可測量的變化。

該協議的工作原理如下：

1. 依賴于狀態的激發：施加一個微波脈沖。由于超精細相互作用，這個脈沖被調整為只有當核自旋處于特定狀態（例如，自旋向上）時才激發電子自旋。
2. 基于電流的讀取：在脈沖之后，施加一個短電壓來測量隧穿電流。如果電子自旋被脈沖翻轉了，隧穿電流就會增加；如果沒有，電流就會保持較低。
3. 單次判斷：關鍵在于，這種電流變化足夠顯著，可以在一次測量中被檢測到。高電流表示一種核自旋狀態，而低電流則表示另一種。不需要進行平均。研究人員觀察到電流在兩個離散的水平之間實時跳動，這直接對應于核自旋的翻轉。

實驗結果

實驗的觀測結果顯示，隧道電流會發生離散的跳躍，這些跳躍對應核自旋在不同狀態之間的翻轉，也就是所謂的“量子跳躍”。這些信號的實時捕捉證明了單次讀出的可行性。更令人印象深刻的是，讀出的保真度高達 98%，在如此微弱的信號背景下，這是一個極為出色的數值。

進一步的測量揭示了核自旋的壽命特征。在連續射頻驅動的條件下，某一核自旋態的壽命約為 100 毫秒，在優化條件下可以延長到 300 毫秒。而在脈沖測量方案中，剔除了探測引入的干擾后，研究人員獲得了核自旋的本征壽命，長達 5 秒左右，比電子自旋壽命整整長了七個數量級。這種長壽命特性再次印證了核自旋作為量子存儲單元的潛力。

實驗還發現，核自旋的動力學會受到實驗條件的顯著影響。例如，隧道電流、偏壓以及射頻信號的強度都會改變核自旋的狀態穩定性。在某些條件下，甚至出現了自旋泵浦效應，即某些核自旋態被選擇性地占據，從而為未來的初始化和操控提供了可能性。

意義與展望

這一成果具有深遠的意義。首先，它證明了單個原子核自旋的量子態確實能夠在實時條件下可靠地測量，這是一個長期以來被認為極其困難的任務。其次，秒級的壽命使核自旋成為理想的量子存儲候選者。如果將其與電子自旋結合，便有可能實現既穩定又靈活的混合量子比特，這將成為未來量子處理器的重要構件。更重要的是，在表面上操控核自旋意味著可以構建原子級的量子陣列，從而推動量子模擬、量子傳感以及可擴展量子計算架構的發展。

當然，挑戰依然存在。例如，如何擴展讀出范圍以覆蓋所有核自旋子態，如何在讀出的基礎上實現對核自旋的相干操控，如何從單原子拓展到耦合陣列，以及如何在保證高保真度的同時進一步降低測量帶來的反作用，這些都是未來必須解決的問題。