退相干
，是量子物理學家最大的敵人之一。當量子系統與周圍的環境發生相互作用時，退相干就會出現，從而可能導致量子效應的喪失。在宏觀世界裡，系統與環境之間會不可避免地發生相互作用，這也導致了在日常生活中很少發生量子效應。
量子系統與經典系統不同，它們的所有屬性並不一定都有明確的定義，比如它們可以同時處於幾種狀態中，即所謂的
疊加態
。然而，一旦量子系統被幹擾或測量，疊加態就會
坍縮
成一個確定的狀態。在物理學研究中，物理學家通常會選用那些可以更好地遮蔽這些相互作用的量子系統，比如單個原子、電子或光子。但即便如此，它們仍然對環境非常敏感。
現在，一個由荷蘭和德國的物理學家組成的研究團隊在《科學》雜誌上發表了一項研究，他們用電子轟擊了一個由兩個耦合原子組成的量子系統，發現這個系統在電子轟擊下，仍然能表現出驚人的穩定性。
材料的行為取決於無數原子之間的相互作用，這些相互作用可被視為是原子之間進行的大型“群聊”。
透過這樣的“交談”過程，原子之間會不斷地交換量子資訊
。在大尺度上，量子資訊的交換可以帶來許多有趣的現象，很多不同形式的量子技術都是以交換量子資訊為基礎的。
當然，原子並不能真的說話，而是透過彼此的
自旋
來感知對方。自旋是每個原子所具有的微小磁矩，不同原子的自旋會相互影響。當其中的某一個自旋發生改變，所有其他的也將開始以某種具體方式一起改變。
在新研究中，研究人員利用
掃描隧道顯微鏡
（STM），對一組鈦原子之間的“交談”進行了研究。鈦原子有著要麼向上、要麼向下的自旋。在實驗中，鈦原子被束縛在一層氧化鎂表面上，這層表面會在接近真空的環境下被冷卻到僅為1K的溫度。在如此低溫下，研究人員可以透過STM辨認出單個原子。
研究人員將兩個鈦原子以相隔僅約1奈米的距離相鄰放置，在這個距離上，兩個原子剛好能感受到彼此的自旋。現在，如果扭曲其中一個的自旋，兩個原子之間的“對話”就會自動開始。
在通常情況下，物理學家會透過向原子傳送非常精確的無線電訊號來改變原子的自旋，這是一種被稱為
自旋共振
的技術，已被成功地用於許多量子位元的研究中。然而，這種方法有一個缺點，那就是它實在太慢了——一個原子的自旋才剛剛開始被扭曲，另一個的扭曲也立即開始了，它們之間的相互交流發生得太快，自旋共振技術根本無法捕捉到。
因此在新研究中，研究人員採用了一種新方法，能使他們
實時觀測到兩個耦合的鈦原子在相互作用中自由交換量子資訊
。他們利用了突然爆發的微波脈衝來快速逆轉原子對中的一個原子的自旋，從而立即引發相鄰原子出現可預測的反應。他們發現，整個過程大約持續了15納秒。這意味著，新方法成功地捕捉到了這兩個原子之間的“交談”。
據論文的通訊作者
Alexander Otte
介紹，一直以來，他們以為相干性會在這個過程中喪失，因為傳送的電子是不相干的，而且每個電子在碰撞發生之前都有著不同的歷史，因此這些混亂會傳遞到到原子的自旋上，將任何相干性都盡數毀掉。但根據目前的實驗結果來看，情況並非如此。
不過，這也引發了一些爭議。有科學家認為，這樣的結果違反了量子物理學的一個基本原理，即每一次的測量都會不可避免地破壞量子態的疊加。對此，論文的另一位合著者
Markus Ternes
迴應道，問題的關鍵可能取決於人們的視角：比如當電子使一個原子的自旋逆轉時，如果將其視作為一種測量，那麼它能抹去所有的量子記憶；但如果是從由兩個原子組成的這個組合系統的角度來看，對於這兩個原子來說，新的狀態構成了完美的疊加態，使它們之間可以進行資訊交換。
這一發現或許對量子計算機的發展產生深遠的影響，因為量子計算機的功能就是基於量子態的糾纏和疊加的。它意味著在初始化量子態時，物理學家或許不用像之前以為的那樣“小心翼翼”。
不過，Otte也指出，新的實驗是一個新的起點，這種研究方法的真正魔力還尚未施展。雖然他們用這種方法觀測了兩個原子之間的自旋逆轉，但每增加一個原子，情況就會變得複雜很多，物理學家們尚無法預測當面對三個、十個、一千個原子時，會發生什麼情況，因為目前的計算能力將不足以模擬如此大的資料規模。
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創作團隊：
編譯：小雨
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參考來源：
https：//www。fz-juelich。de/SharedDocs/Pressemitteilungen/UK/EN/2021/2021-05-27-science-quantum-experiment。html
https：//www。eurekalert。org/pub_releases/2021-05/duot-sot052021。php
https：//cosmosmagazine。com/science/physics/listening-to-the-atom-group-chat/
https：//gizmodo。com/physicists-caught-two-atoms-talking-to-each-other-1846967872
#圖片來源
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封面圖：Enrique Sahagún， Scixel / TU Delft
