美國量子物理又取得一項重要突破，普渡大學李統藏教授領導的團隊將納米鉆石放入真空中，使其達到了12億次/分的驚人旋轉速度，並透過激光反射來讀取自旋量子位元，從而為量子重力研究開辟了新路徑，並可能帶來更精確的量子導航和通訊技術。這項研究已發表在6月13日【自然-通訊】雜誌上。
旋轉鉆石和量子世界
普渡大學團隊在高壓高溫下制造出了一些微小的鉆石，每顆只有750納米大小——這大約是頭發直徑的百分之一。這些納米鉆石被懸浮在一個幾乎完全沒有空氣的真空環境中，用來研究量子物理中一個非常復雜但又極其重要的問題：重力和量子力學之間的關系。
重力是我們每天都在體驗的力量——它讓蘋果掉到地上，也讓地球圍繞太陽執行。但在微觀世界中，量子力學掌控著物質的行為。科學家們一直在努力理解這兩種看起來完全不相容的物理理論是如何在一起工作的，愛因斯坦耗盡一生的時間來研究依然沒有結果，而旋轉的納米鉆石可能是揭開這個謎團的關鍵。
Berry相位：量子舞步
那麽研究人員是如何透過旋轉鉆石來探測量子重力的呢？答案在於一種叫做「Berry相位」的量子現象。簡而言之，當鉆石旋轉時，鉆石內部的量子位元，也就是一種極其微小的量子資訊單位，會受到旋轉的影響。這個影響會改變量子位元的狀態，就像舞者在舞蹈中隨著音樂的節奏而改變步伐。
研究人員讓鉆石以12億轉/分的速度旋轉，這樣就能放大並觀察到量子力學現象引發的自選量子位元的細微變化，再透過綠色激光激發量子位元使其發出紅光，就可以用儀器讀取它的自旋狀態，科學家們形象地稱這個系統是「世界上最小的迪斯科舞廳」。
透過觀察Berry相位的變化，研究人員可以探測到微小的重力效應，分析自旋量子位元的行為與潛在的量子重力效應之間的關系，從而有可能發現量子重力的蛛絲馬跡，為我們理解宇宙中最基本的力量如何在最小的尺度上發揮作用提供關鍵的線索。
科學與未來
然而，你別認為這項研究僅僅是一個基礎科學的實驗。科學家們認為，這種旋轉的納米鉆石不僅可以幫助我們理解量子重力，還可能為未來的技術套用鋪平道路。比如我曾經多次介紹過的量子傳感器，這種旋轉的納米鉆石，是不是也可以用作量子傳感器呢？小到750納米，快到12億轉/分，這樣的傳感器將可能極其靈敏，如果用來測量微小的加速度或電場變化，將可能為導航系統和通訊技術提供更加精密的新工具。
參考：
Jin, Y., Shen, K., Ju, P. et al. Quantum control and Berry phase of electron spins in rotating levitated diamonds in high vacuum. Nat Commun 15, 5063 (2024). DOI:10.1038/s41467-024-49175-3
