摘要：代尔夫特理工大学的物理学家们创造了量子物理学的一个重要里程碑：他们成功实现了对单个原子核自旋状态的实时观测，并记录下这些微观磁体在不同量子态之间的翻转过程。这项发表在《自然通讯》期刊上的突破性研究，不仅展现了量子测量技术的巨大进步，更为未来的量子传感器和量子模

信息来源：https://www.sciencedaily.com/releases/2025/09/250904014149.htm

代尔夫特理工大学的物理学家们创造了量子物理学的一个重要里程碑：他们成功实现了对单个原子核自旋状态的实时观测，并记录下这些微观磁体在不同量子态之间的翻转过程。这项发表在《自然通讯》期刊上的突破性研究，不仅展现了量子测量技术的巨大进步，更为未来的量子传感器和量子模拟器的发展奠定了重要基础。

在Sander Otte教授领导的研究团队中，博士生Evert Stolte和Jinwon Lee利用扫描隧道显微镜的极高精度，观察到原子核自旋在大约五秒的时间尺度内保持稳定状态，这一持续时间远超此前科学家们的预期。这种异常的稳定性为量子信息处理开辟了前所未有的操控空间，使得基于原子核自旋的量子技术应用成为可能。

突破传统测量极限的技术创新

扫描隧道显微镜作为观察原子世界的强大工具，长期以来只能直接探测原子核周围的电子云。原子核深藏在电子层内部，其磁性特征——即核自旋——无法被传统的扫描隧道显微镜直接感知。面对这一挑战，代尔夫特团队采用了一种巧妙的间接测量策略。

他们利用超精细相互作用这一量子力学现象，将原子核自旋的信息"编码"到电子的行为中。超精细相互作用描述了原子核与电子之间的磁性耦合，这种相互作用会根据核自旋的方向微妙地改变电子的能级结构。通过精确测量这些细微的能级变化，研究人员能够推断出核自旋的状态。

这种间接测量方法的关键在于测量速度必须足够快，以捕捉核自旋状态的动态变化。早期的相关实验虽然证明了超精细相互作用测量的可行性，但测量速度太慢，无法观察到核自旋的实时演化。代尔夫特团队通过优化实验装置和测量协议，实现了前所未有的测量速度，使得核自旋的"单次读出"成为现实。

量子稳定性的惊人发现

基于实际测量数据的艺术效果图，展现了原子核自旋在不同量子态之间翻转的现象。这种翻转被观察为流经原子的电流在数秒内发生的波动。图片来源：Scixel

当研究人员在计算机屏幕上看到信号在两个不同水平之间来回跳跃时，他们意识到正在见证一个历史性时刻。这些信号变化对应着单个原子核自旋在不同量子态之间的翻转，而每次翻转的间隔时间达到了令人意外的五秒钟。

这一发现的重要性在于其与电子自旋行为的鲜明对比。在同一个原子中，电子自旋的相干时间仅约100纳秒，比核自旋的稳定时间短了近八个数量级。这种巨大差异源于原子核与电子在物理性质上的根本不同：原子核被电子云屏蔽，较少受到外界环境噪声的干扰，因此能够更长时间地保持其量子状态。

核自旋的长相干时间为量子技术应用提供了独特优势。在量子计算和量子传感中，量子态的稳定性直接决定了系统的性能上限。更长的相干时间意味着更精确的量子操作和更敏感的传感能力。代尔夫特团队的发现表明，原子核自旋可能成为构建高性能量子设备的理想候选者。

单次读出技术的革命性意义

实现"单次读出"代表着量子测量技术的重大突破。传统的量子态测量往往需要多次重复实验并进行统计平均，这不仅耗时，而且可能因为测量过程本身对量子系统的扰动而影响结果的准确性。单次读出技术允许科学家在单次测量中就获得可靠的量子态信息，大大提高了实验效率和精度。

更重要的是，单次读出能力为量子态的主动控制奠定了基础。当科学家能够实时监测核自旋的状态时，他们就可以根据测量结果实时调整外界条件，实现对量子态的精确操控。这种闭环控制策略在量子纠错、量子算法实现和量子传感器校准中都具有重要应用价值。

代尔夫特团队的成功还展现了扫描隧道显微镜在量子科学中的巨大潜力。通过将原子级空间分辨率与量子态测量能力相结合，扫描隧道显微镜正在演化为一种强大的量子工具。这种发展趋势可能催生新的研究领域，推动量子物理学和纳米科学的深度融合。

量子技术应用的广阔前景

核自旋的实时观测和控制为多个前沿技术领域开辟了新的可能性。在量子传感领域，核自旋可以用作极其敏感的磁场传感器。由于核自旋与外界环境的相互作用相对较弱，基于核自旋的传感器可以实现超高精度的磁场测量，这在地质勘探、医学成像和基础物理研究中都有重要应用。

量子模拟是另一个充满前景的应用方向。原子核自旋系统可以用来模拟复杂的量子多体问题，帮助科学家理解高温超导、量子磁性和拓扑物态等前沿物理现象。通过精确控制表面上排列的原子核自旋，研究人员可以构建人工量子系统，探索自然界中难以直接研究的物理过程。

在量子信息处理方面，核自旋的长相干时间使其成为量子存储器的理想候选者。量子信息可以编码到核自旋状态中，并在相对较长的时间内保持稳定。这种特性对于构建大规模量子网络和实现长距离量子通信至关重要。

技术挑战与未来发展

尽管代尔夫特团队取得了重要突破，但将这一技术推向实际应用仍面临诸多挑战。首先，当前的实验需要极低温度和超高真空环境，这限制了其在实际设备中的应用。研究人员正在探索在更温和条件下实现核自旋操控的方法。

其次，扩展到多个原子核自旋的同时控制是一个重要的技术目标。虽然单个核自旋的操控已经实现，但构建复杂的量子系统需要对多个量子比特进行协调控制。这要求进一步提高测量精度和控制复杂度。

此外，不同类型原子的核自旋特性存在显著差异，需要针对具体应用选择最适合的原子种类。某些原子的核自旋具有特殊的对称性或相互作用特征，可能在特定应用中表现出优异性能。

随着技术的不断发展，基于原子核自旋的量子设备有望在未来十年内从实验室走向实际应用。这一领域的进步不仅将推动量子技术的发展，也将加深人类对量子世界基本规律的理解。代尔夫特团队的开创性工作为这一激动人心的未来奠定了坚实基础。

来源：人工智能学家