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科学家首获三能级系统中的量子干涉，为控制单个原子的自旋提供新方法

文章来源：未知更新时间：2018-08-13 14:31:11

据悉，巴塞尔大学和瑞士纳米科学研究所的研究人员首次做到三能级系统中的量子干涉，进而控制单个电子自旋的行为。研究使用了新型纳米级机械振荡器，其量子系统以金刚石悬臂的形式集成在振荡器中。研究结果发表于《Nature Physics》杂志。

电子自旋是每个电子固有的基本量子力学性质。在量子世界中，电子自旋定义为电子围绕其轴的旋转方向，通常可以有两个本征态“向上”和“向下”。这种旋转的量子特性可应用于未来技术，例如超精确的量子传感器。

机械振荡器结合自旋

Patrick Maletinsky教授和准博士Arne Barfuss来自巴塞尔大学瑞士纳米科学研究所的带领的研究人员在《Nature Physics》杂志报告中提出了一种通过机械系统将量子系统与机械振荡器结合起来控制自旋量子行为的新方法。即研究人员操控被困在“氮空位”中心的自旋电子嵌入由金刚石制成的单晶机械谐振器中。这些氮空位的旋转十分特殊，不仅具有“向上”和“向下”两种本征态，还有第三种--“零”本征态。利用机械振荡器与自旋电子的特殊耦合，他们首次实现对这种三能级系统量子的完全控制。

三种量子态的控制

振荡器可帮助研究人员对自旋中的三种可能的转变和所产生的激发通路如何相互干扰进行研究。这种“封闭轮廓驱动”的电子自旋现象之前从未被研究过，研究人员对其基本原理和实际应用产生了浓厚的兴趣。例如，实验中可做到打破时间反转对称性，即时间方向相反而实际电子没有对应反转情况下，系统的属性就会完全不同。此时，机械振荡器的相位可确定电子旋转方向为“顺时针”（上，下，零）或是“逆时针”。

扩展连贯性

与有名的薛定谔猫理论类似，扩展连贯性这个概念虽然抽象，但对量子态有实际的影响。，旋转可以在一定时期内同时处于两个或三个可用本征态的叠加，即所谓的量子相干时间。

研究人员利用闭合轮廓驱动将三个本征态相互耦合，可以显著延长相干时间。与仅驱动三个可能转换中的两个的系统相比，相干性增加了近百倍。这种一致性保护是未来量子技术的关键，也是这项工作的另一个主要成果。

传感器技术方面的应用

目前对于从纳米级物体出现的随时间变化的信号的精确测量还很难以其他方式解决，而自旋和振荡系统的组合显示出对自旋相干性的保护，可提供很好的解决方案。该工作将具有很高的应用潜力，未来混合谐振器-自旋系统可以用于精确测量频率在千兆赫范围内的时间相关信号 - 例如量子感测或量子信息处理。

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