金剛石中的一些自旋揭示了物理學(xué)中最持久的謎團(tuán)之一——經(jīng)典物理學(xué)的客觀現(xiàn)實(shí)是如何從朦朧的概率量子世界中浮現(xiàn)出來的？德國和美國的物理學(xué)家利用鉆石上的氮空位(NV)中心來證明“量子達(dá)爾文主義”，即系統(tǒng)的“最適合”狀態(tài)在量子世界和經(jīng)典世界之間的過渡中存活和擴(kuò)散。

       在過去，物理學(xué)家傾向于認(rèn)為經(jīng)典和量子世界被突然的屏障所分割，這道屏障在我們熟悉的宏觀（經(jīng)典）領(lǐng)域和我們不熟悉的微觀(量子)領(lǐng)域之間做出了根本的區(qū)分。但近幾十年來，這種觀點(diǎn)發(fā)生了變化。此案在許多專家認(rèn)為這種轉(zhuǎn)變是漸進(jìn)的，我們所測量的確定的經(jīng)典態(tài)來自于概率量子態(tài)，隨著它們與周圍環(huán)境的糾纏越來越多，它們逐漸失去了相干性(盡管速度非常快)。

       新墨西哥州洛斯阿拉莫斯國家實(shí)驗(yàn)室(Los Alamos National Laboratory)的沃伊切赫?祖雷克(Wojciech Zurek)提出的量子達(dá)爾文主義(Quantum darwin)認(rèn)為，我們所感知的經(jīng)典狀態(tài)是強(qiáng)大的量子狀態(tài)，能夠在退相干過程中經(jīng)受住糾纏。他的理論框架假定，關(guān)于這些狀態(tài)的信息將被重復(fù)許多次，并在整個(gè)環(huán)境中傳播。正如自然選擇告訴我們，一個(gè)物種中最適的個(gè)體必須生存下來以大量繁殖，從而形成進(jìn)化，最適合的量子態(tài)將被復(fù)制，并呈現(xiàn)經(jīng)典狀態(tài)。這種冗余意味著許多個(gè)體觀察者會(huì)將任何給定狀態(tài)度量為具有相同的值，從而確?？陀^現(xiàn)實(shí)。

       孤立的自旋

       為了從實(shí)驗(yàn)上觀察冗余現(xiàn)象，德國烏爾姆大學(xué)的Fedor Jelezko和其他實(shí)驗(yàn)人員與Zurek和一些理論家同事進(jìn)行了合作。研究小組專注于NV中心，當(dāng)金剛石晶格中的相鄰兩個(gè)碳原子被一個(gè)氮原子和一個(gè)空晶格取代時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生NV中心。氮原子有一個(gè)未配對的電子。這表現(xiàn)為一個(gè)孤立的自旋-它可以是向上，向下或兩者的疊加。自旋態(tài)可以在一個(gè)完善的過程中進(jìn)行探測，該過程包括用激光照射金剛石并記錄其發(fā)出的熒光。

       研究人員開始監(jiān)測NV自旋如何與鄰近幾個(gè)碳原子的自旋相互作用。金剛石中的大多數(shù)碳是碳-12，其自旋為零。然而，大約1%的原子是碳-13，它具有核自旋。他們的實(shí)驗(yàn)涉及到探索NV自旋與大約1納米遠(yuǎn)的4個(gè)碳13原子之間的相互作用。作為環(huán)境的碳-13自旋太弱而不能相互作用，但卻在NV自旋中引起退相干。這個(gè)過程包括碳-13自旋轉(zhuǎn)變?yōu)橐蕾囉贜V自旋狀態(tài)的新量子態(tài)。

       該實(shí)驗(yàn)是通過將綠色激光照射到毫米級鉆石樣品內(nèi)的NV旋轉(zhuǎn)上并測量隨微波和射頻場打開和關(guān)閉時(shí)發(fā)射的光子來完成的。因?yàn)樗麄儫o法直接觀察碳13旋轉(zhuǎn),所以團(tuán)隊(duì)將這些自旋狀態(tài)轉(zhuǎn)移到NV自旋并再次利用熒光測量。Jelezko說，這種反直覺的方法是可行的，因?yàn)閷?shí)驗(yàn)中的三個(gè)步驟 - 準(zhǔn)備自旋狀態(tài)，退相干和測量 - 在時(shí)間上完全分開。

       自然環(huán)境

       通過這樣做，研究人員發(fā)現(xiàn)了預(yù)期的冗余。通過測量一個(gè)碳-13原子核的自旋，并多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，他們發(fā)現(xiàn)他們可以在大多數(shù)情況下正確地推斷出大多數(shù)NV自旋特性。但是對額外的核自旋的測量幾乎沒有增加這方面的知識(shí)。他們在《物理評論快報(bào)》(Physical Review Letters)上發(fā)表的一篇論文中寫道，這些結(jié)果“首次在實(shí)驗(yàn)室證明了量子達(dá)爾文主義在自然環(huán)境中的作用”。

       Jelezko說，“自然”一詞指的是，固體中的自旋退相干通常是由于磁性與核自旋相互作用的結(jié)果。他補(bǔ)充說，這個(gè)過程使得利用固體中的自旋來構(gòu)建量子計(jì)算機(jī)變得困難。該小組的下一步是擴(kuò)大實(shí)驗(yàn)規(guī)模，盡管Jelezko承認(rèn)，接近宏觀物體(甚至是塵埃顆粒)的大小很可能是不可能的。他說:“我不認(rèn)為我們將能制造出十億個(gè)原子，但20個(gè)就已經(jīng)產(chǎn)生了巨大的影響。”