量子相干
1998年，一组研究人员使用单分子首次进行了简单的量子计算。当时，他们用无线电波脉冲来翻转一个分子中的两个核子的自旋，它们的自旋要么向“上”，要么向“下”，这种存储信息的方式就和经典数据位中以“0”或“1”的状态存储信息一样。
对于早期的量子计算机来说，两个核子的结合态（分子的量子态）只能短暂地维持在特定的环境中，整个系统会很快就失去其
相干性。对量子相干的控制，始终是建造量子计算机的关键，也是其中极为困难的一步。一直以来，许多物理学家团队都在试图发展新的途径来创建和保护量子相干。
2018年，为了推进这方面的研究进展，加州大学伯克利分校的物理学教授Joel Moore创建了一个名为NPQC（材料量子相干新途径中心）
的研究中心，他希望能够更快地在些问题上取得突破。他们有三个主要的研究重点，包括开发新的量子传感平台，设计能够承载复杂量子态的二维材料，并探索能够通过量子过程对材料的电子和磁性进行精确操控的方法。
自旋缺陷
目前，NPQC的许多研究成果都集中在一些基于自旋缺陷（spin defect）所创立的量子平台。自旋缺陷是材料结构中的一种特定缺陷，
在正确的情况下，这些自旋缺陷可以接近完美的量子相干，从而可被用于创建高精度的传感平台。每个自旋缺陷对环境中极其微小的波动都有响应，这些缺陷的集合可以达到前所未有的精度。
但是，要在一个有着许多自旋，且所有自旋都在相互作用的系统中理解相干性的演化，是一件非常困难的事。为了应对这一挑战，NPQC的研究人员将目光投向了钻石——这是一种可被用于量子传感的理想材料。
在自然界中，钻石晶体结构中的每个碳原子都与其他四个碳原子相连，当其中一个碳原子被另一个完全不同的原子所取代时，由此产生的缺陷有时就会表现得像一个有着定义良好的自旋的原子系统。钻石中的这些缺陷就像一些粒子一样，可以“自旋向上”，或者“自旋向下”。
在一项新的研究中，物理学家Norman Yao等人通过向钻石晶格中植入多个不同的自旋缺陷，创建了一个三维系统，在这个系统中，自旋分散在整个体积中。通过运用一系列测量技术，他们发现自旋在量子力学系统中的运动方式，几乎与染料在液体中的运动方式相同。
他们将新的发现发表在《自然》上，并提出，染料的扩散为理解量子相干提供了一条新的成功路径。
菲克定律
一直以来，描述物质在量子力学层面上的行为都是非常困难的，因为一旦系统中所涉及的粒子数变得多起来，与之相关的方程就变得很难求解。这就类似于，在经典物理学中，要计算染料颗粒在一杯水中的精确轨迹同样不容易，这种难度主要来自这些颗粒会被水分子以各种方式撞击。但实际上在描述这类运动时，科学家并不需要真的追踪每一个分子。根据菲克扩散定律，物质的流动与它的浓度梯度成正比。
菲克定理是颗粒度（coarse grain）的一个例子，颗粒度这一概念常用于流体力学，比如说，流体可被视为是许许多多的小“包裹”的集合，每个“包裹”中含有许许多多个分子，这些分子会相互摩擦移动。在新研究中，Moore与Yao等人正试图用这种方法来描述量子多粒子系统。
Moore说，流体动力学通常研究的是一个系统如何从局部平衡过渡到整体平衡。流体力学方程假设，任何关于初始状态的详细信息，比如粒子在哪里以及它们如何运动，都会在它们一旦与其他粒子经历几次相互作用后就很快丧失。接着，流体方程便可以非常精确地描述更长时间尺度上（从微秒到年）的一切。
发表于 2021-10-19 22:57
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