量子达尔文主义在金刚石自旋中被证实

金刚石中的一些自旋揭示了物理学中最持久的谜团之一——经典物理学的客观现实是如何从朦胧的概率量子世界中浮现出来的？德国和美国的物理学家利用钻石上的氮空位(NV)中心来证明“量子达尔文主义”，即系统的“最适合”状态在量子世界和经典世界之间的过渡中存活和扩散。

在过去，物理学家倾向于认为经典和量子世界被突然的屏障所分割，这道屏障在我们熟悉的宏观（经典）领域和我们不熟悉的微观(量子)领域之间做出了根本的区分。但近几十年来，这种观点发生了变化。此案在许多专家认为这种转变是渐进的，我们所测量的确定的经典态来自于概率量子态，随着它们与周围环境的纠缠越来越多，它们逐渐失去了相干性(尽管速度非常快)。

▲ 百叶片,千叶轮,砂带,砂圈,切割片,磨片

新墨西哥州洛斯阿拉莫斯国家实验室(Los Alamos National Laboratory)的沃伊切赫•祖雷克(Wojciech Zurek)提出的量子达尔文主义(Quantum darwin)认为，我们所感知的经典状态是强大的量子状态，能够在退相干过程中经受住纠缠。他的理论框架假定，关于这些状态的信息将被重复许多次，并在整个环境中传播。正如自然选择告诉我们，一个物种中最适的个体必须生存下来以大量繁殖，从而形成进化，最适合的量子态将被复制，并呈现经典状态。这种冗余意味着许多个体观察者会将任何给定状态度量为具有相同的值，从而确保客观现实。

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为了从实验上观察冗余现象，德国乌尔姆大学的Fedor Jelezko和其他实验人员与Zurek和一些理论家同事进行了合作。研究小组专注于NV中心，当金刚石晶格中的相邻两个碳原子被一个氮原子和一个空晶格取代时，就会产生NV中心。氮原子有一个未配对的电子。这表现为一个孤立的自旋-它可以是向上，向下或两者的叠加。自旋态可以在一个完善的过程中进行探测，该过程包括用激光照射金刚石并记录其发出的荧光。

研究人员开始监测NV自旋如何与邻近几个碳原子的自旋相互作用。金刚石中的大多数碳是碳-12，其自旋为零。然而，大约1%的原子是碳-13，它具有核自旋。他们的实验涉及到探索NV自旋与大约1纳米远的4个碳13原子之间的相互作用。作为环境的碳-13自旋太弱而不能相互作用，但却在NV自旋中引起退相干。这个过程包括碳-13自旋转变为依赖于NV自旋状态的新量子态。

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该实验是通过将绿色激光照射到毫米级钻石样品内的NV旋转上并测量随微波和射频场打开和关闭时发射的光子来完成的。因为他们无法直接观察碳13旋转,所以团队将这些自旋状态转移到NV自旋并再次利用荧光测量。Jelezko说，这种反直觉的方法是可行的，因为实验中的三个步骤 - 准备自旋状态，退相干和测量 - 在时间上完全分开。

通过这样做，研究人员发现了预期的冗余。通过测量一个碳-13原子核的自旋，并多次重复实验，他们发现他们可以在大多数情况下正确地推断出大多数NV自旋特性。但是对额外的核自旋的测量几乎没有增加这方面的知识。他们在《物理评论快报》(Physical Review Letters)上发表的一篇论文中写道，这些结果“首次在实验室证明了量子达尔文主义在自然环境中的作用”。

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Jelezko说，“自然”一词指的是，固体中的自旋退相干通常是由于磁性与核自旋相互作用的结果。他补充说，这个过程使得利用固体中的自旋来构建量子计算机变得困难。该小组的下一步是扩大实验规模，尽管Jelezko承认，接近宏观物体(甚至是尘埃颗粒)的大小很可能是不可能的。他说:“我不认为我们将能制造出十亿个原子，但20个就已经产生了巨大的影响。”