美国每日科技网站5月27日发表了一篇科学趣闻，题为《科学家偷听到两个原子的聊天：磁量子互动》。全文摘编如下：

材料的性能取决于无数原子之间的互动。你可以把这看作一个庞大的聊天群，原子们在里面不断地交换量子信息。荷兰代尔夫特理工大学的研究人员通过与德国亚琛工业大学-于利希研究中心研究联盟的协作，现在已经能够侦听到两个原子之间的“聊天”。

当然，原子们并不会真的进行交谈。但它们能够相互感知。对于磁原子来说尤其如此。这项研究的团队负责人桑德·奥特解释说：“每个原子都携带少量磁矩，被称为‘自旋’磁矩。这些自旋互相影响，就像你把磁针放在一起时它们相互影响一样。如果你对其中的某一个施加推力，它们就会开始以一种特定的方式共同移动。但是根据量子力学定律，每个自旋可能同时指向不同方向，从而形成叠加。这意味着量子信息的实际传输是发生在原子之间的，类似于某种对话。”

锋利探针

在很大的规模上，原子之间的这种信息交流可以导致令人心驰神往的现象。一个经典的例子就是超导，即一些材料在临界温度以下失去全部电阻率的现象。尽管人们对于最简单的案例了解得十分清楚，但是没有人确切知道这种现象在许多复杂材料中的产生机制。但可以肯定的是，磁量子相互作用起到了关键作用。出于试图解释此类现象的目的，科学家们对于拦截此类交流（即偷听原子之间的交谈）极感兴趣。

奥特的团队采用了相当直接的办法处理此事：他们把两个原子紧挨着放在一起，看看会发生什么。借助扫描隧道显微镜，这种做法可以实现。在这种显微镜中，一根锋利的探针可以逐一探查原子，甚至可以对它们进行重新排列。研究人员利用这种装置把两个钛原子摆放在相距仅1纳米（即毫米的百万分之一）的地方。在这样的距离下，原子能够感知彼此的自旋。如果此时你对这两个自旋中的一个施加扭力，对话就会自动开始。

通常，这种扭力是通过向原子发送非常精确的无线电信号来施加的。这种所谓的自旋共振技术——它十分类似于医院里核磁共振扫描仪的工作原理——被成功地用于量子比特的研究。代尔夫特理工大学团队本来也可以使用这种工具，但它有一个缺点。论文第一作者、博士生卢卡斯·维尔德曼说：“这种工具的速度太慢了。你几乎还没有开始扭动一个自旋，另一个就开始随之旋转了。用这种方式，你永远无法调查出把两个自旋摆在相反的方向会发生什么。”

完美叠加

于是，研究人员尝试了某种非常规的办法：他们利用突然的电流脉冲，让两个原子中一个原子的自旋发生迅速反转。让他们感到意外的是，这种激烈的方式产生了漂亮的量子互动。在脉冲过程中，电子与原子碰撞，导致其自旋发生反转。奥特说：“但我们曾经一直以为，在这一过程中，微弱的量子信息（即所谓的相干性）丢失了。毕竟，电子是不相干的：每一个电子在碰撞前的历史略有差异，这种混乱被转移到原子的自旋中，从而消灭了任何相干性。”

这种看法现在看起来不再成立的事实引发了某种争论。显然，每个随机电子——无论其有怎样的历史——都可以引发某种相干叠加，即一种基本型量子态的特定组合，它是人们完全已知的，并将构成几乎任何形式的量子技术的基础。

论文联合作者、亚琛工业大学-于利希研究中心研究联盟的马库斯·特内斯说：“关键在于它取决于你所问的问题。电子反转一个原子的自旋，比方说导致其向左转。你可以把这看作是一种测定，从而删除所有量子记忆。但是从两个原子组成的联合系统的角度来看，由此产生的状况完全不是那么平凡。对于在一起的这两个原子，这种新状态构成一种完美叠加，从而使它们之间的信息交流成为可能。要实现这一点，关键是两个自旋需要纠缠起来，即处于某个特殊的量子态，它们在其中共享比通常情况下更多关于彼此的信息。”

这一发现对于量子比特研究可能具有重要意义。对奥特和他的团队来说，这多半将是更多出色实验的起点。维尔德曼说：“我们现在使用的是两个原子，那么如果使用三个原子会发生什么？十个呢，一千个呢？没有人能够预言，因为计算机对于这样的数字力不从心。或许有朝一日，我们将能够听到以前从未有人能够听到的量子对话。”