有瑕疵的钻石

钻石通常因其完美无瑕的光泽而备受推崇，但圣路易斯华盛顿大学艺术与科学物理学助理教授 Chong Zu 认为这些天然晶体具有更深层次的价值。正如物理学领域最负盛名的期刊之一《物理评论快报》（Physical Review Letters）所报道的那样，祖和他的团队在将钻石变成量子模拟器的过程中向前迈出了重要的一步。

该论文的共同作者包括Charles M. Hohenberg物理学教授Kater Murch和博士生Guanghui He，Ruotian （Reginald） Gong和Zhongyuan Liu。他们的工作部分得到了量子飞跃中心的支持，这是艺术与科学战略计划的标志性倡议，旨在将量子见解和技术应用于物理学，生物医学和生命科学，药物发现和其他影响深远的领域。

研究人员通过用氮原子轰击钻石来改造钻石。其中一些氮原子会去除碳原子，从而在其他完美的晶体中产生缺陷。由此产生的间隙被具有自身自旋和磁性的电子填充，这些量子特性可以测量和操纵，用于广泛的应用。

正如Zu和他的团队之前通过对硼的研究所揭示的那样，这些缺陷可能被用作量子传感器，对环境和彼此做出反应。在这项新研究中，研究人员专注于另一种可能性：使用不完美的晶体来研究极其复杂的量子世界。

经典计算机（包括最先进的超级计算机）不足以模拟量子系统，即使是那些只有十几个量子粒子的系统。这是因为量子空间的维度随着每个粒子的添加而呈指数增长。但这项新研究表明，使用可控量子系统直接模拟复杂的量子动力学是可行的。

“我们精心设计了我们的量子系统，以创建一个模拟程序并让它运行，”Zu说。“最后，我们观察结果。这是使用经典计算机几乎不可能解决的问题。

该团队在这一领域的进展将使多体量子物理学的一些最令人兴奋的方面得以研究，包括实现物质的新阶段和预测复杂量子系统的涌现现象。

在最新的研究中，Zu和他的团队能够保持他们的系统稳定长达10毫秒，这在量子世界中是很长的时间。值得注意的是，与其他在超低温下运行的量子模拟系统不同，它们的金刚石构建系统在室温下运行。

保持量子系统完整的一个关键是防止热化，即系统吸收如此多能量的点，以至于所有缺陷都失去了其独特的量子特征，最终看起来相同。研究小组发现，他们可以通过如此快速地驱动系统来延迟这一结果，以至于它没有时间吸收能量。这使得系统处于相对稳定的“预热化”状态。

新的基于钻石的系统允许物理学家同时研究多个量子区域的相互作用。这也为越来越敏感的量子传感器开辟了可能性。“量子系统的寿命越长，灵敏度就越高，”祖说。

Zu和他的团队目前正在与量子飞跃中心的其他WashU科学家合作，以获得跨学科的新见解。在艺术与科学领域，Zu正在与物理学副教授Erik Henriksen合作，以提高传感器的性能。他还计划使用这些传感器来更好地了解物理学助理教授盛然实验室创造的量子材料。他还与地球、环境和行星科学教授菲利普·斯凯默（Philip Skemer）合作，以获得岩石样本中磁场的原子级视图;并与物理学助理教授尚卡尔·穆克尔吉（Shankar Mukherji）一起对活生物细胞中的热力学进行成像。

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最初发表于 The Ampersand 网站