美国量子物理又取得一项重要突破，普渡大学李统藏教授领导的团队将纳米钻石放入真空中，使其达到了12亿次/分的惊人旋转速度，并通过激光反射来读取自旋量子比特，从而为量子引力研究开辟了新路径，并可能带来更精确的量子导航和通信技术。这项研究已发表在6月13日【自然-通讯】杂志上。
旋转钻石和量子世界
普渡大学团队在高压高温下制造出了一些微小的钻石，每颗只有750纳米大小——这大约是头发直径的百分之一。这些纳米钻石被悬浮在一个几乎完全没有空气的真空环境中，用来研究量子物理中一个非常复杂但又极其重要的问题：引力和量子力学之间的关系。
引力是我们每天都在体验的力量——它让苹果掉到地上，也让地球围绕太阳运行。但在微观世界中，量子力学掌控着物质的行为。科学家们一直在努力理解这两种看起来完全不相容的物理理论是如何在一起工作的，爱因斯坦耗尽一生的时间来研究依然没有结果，而旋转的纳米钻石可能是揭开这个谜团的关键。
Berry相位：量子舞步
那么研究人员是如何通过旋转钻石来探测量子引力的呢？答案在于一种叫做「Berry相位」的量子现象。简而言之，当钻石旋转时，钻石内部的量子比特，也就是一种极其微小的量子信息单位，会受到旋转的影响。这个影响会改变量子比特的状态，就像舞者在舞蹈中随着音乐的节奏而改变步伐。
研究人员让钻石以12亿转/分的速度旋转，这样就能放大并观察到量子力学现象引发的自选量子比特的细微变化，再通过绿色激光激发量子比特使其发出红光，就可以用仪器读取它的自旋状态，科学家们形象地称这个系统是「世界上最小的迪斯科舞厅」。
通过观察Berry相位的变化，研究人员可以探测到微小的引力效应，分析自旋量子比特的行为与潜在的量子引力效应之间的关系，从而有可能发现量子引力的蛛丝马迹，为我们理解宇宙中最基本的力量如何在最小的尺度上发挥作用提供关键的线索。
科学与未来
然而，你别认为这项研究仅仅是一个基础科学的实验。科学家们认为，这种旋转的纳米钻石不仅可以帮助我们理解量子引力，还可能为未来的技术应用铺平道路。比如我曾经多次介绍过的量子传感器，这种旋转的纳米钻石，是不是也可以用作量子传感器呢？小到750纳米，快到12亿转/分，这样的传感器将可能极其灵敏，如果用来测量微小的加速度或电场变化，将可能为导航系统和通信技术提供更加精密的新工具。
参考：
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
