多年以后，澳大利亚新南威尔士大学的几位量子工程科学家或许还会想起，曾经在实验室里发生的那一场意外的爆炸。那天，他们制造了一个包含锑原子和特殊天线的装置，这个装置优化后可以产生一个高频磁场来控制原子核。实验要求的磁场相当强，所以几个研究者施加了很大的能量，结果，天线炸了！
在将实验继续下去时，他们有了意外而重大的发现——核电共振！
“这一里程碑式的成果将开辟一个发现和应用的宝库。”接受采访时，团队核心Morello教授表示：“我们创造的这个系统有足够的复杂性来研究我们每天所经历的经典世界是如何从量子领域出现的。此外，我们可以利用它的量子复杂性来构建灵敏度大大提高的电磁场传感器。所有这一切，都是在一个简单的硅电子器件中进行的，它可以通过施加在金属电极上的小电压进行控制。”
1、 研究背景
对于磁矩不为零的原子核，在外磁场作用下，磁矩对应的自旋能级会发生塞曼分裂，如图1（b）所示。此时外加一定的电磁波辐射，当辐射的能量恰好等于自旋核相邻的能级差时，自旋核通过共振可以吸收某一定频率的射频辐射，这一物理过程就是核磁共振（NMR，Nuclear Magnetic Resonance）。自从NMR技术发现以来，磁共振技术在化学、医学、材料科学和采矿等领域得到了广泛的应用，近年来在通用量子计算机领域的应用也被寄予厚望。然而，产生磁场需要大线圈和大电流，并且很难将磁场限制在很小的空间内。因此，大区域内相同的原子核自旋都会对同样的信号做出响应，从而阻止自旋的单独处理。
俗话说，电磁不分家。与核磁共振类似，对于核电四极矩不等于0的原子核（自旋≥1，电荷非球形分布），在核外电场梯度（EFG）的作用下，会形成一系列量子化的核四极能级。当外加射频电磁场能量等于相邻四极能级时，产生了相应的四极核对该特定频率的吸收，这一过程就相应地称为核电共振（Nuclear Electric Resonance，NER）。与磁场相比，电场可以在一个小电极的尖端产生，并且从尖端开始急剧衰减，这将使控制在纳米电子器件中的单个原子更加容易。也就是说，相比于核磁共振对一类原子的检测与控制，核电共振可以进一步实现对一个原子的检测与控制。因此，扩大基于原子核自旋的量子器件规模的一个理想途径是利用RF电场进行自旋控制。
早在1961年，磁共振先驱、诺贝尔奖获得者Nicolaas Bloembergen就提出了一个对这种策略至关重要的理论观点：对于具有自旋I>1/2和非零电四极矩qn的原子核，如果把原子核放在晶格点缺乏点反对称性的固体中，共振电场可以通过调节核四极作用诱导核自旋转换。然而，半个多世纪过去了，这一想法还没有在单核实验中实现过。
基于前述发现，Andrea Morello教授团队进行了深入研究，实现了利用硅纳米电子器件中产生的局域电场对单个123Sb（自旋-7/2）核的相干量子控制，这是首次在单核实验中实现。实验结果得到了微观理论模型的定量支持，揭示了原子核电四极相互作用的纯电调制如何导致由晶格应变带来的唯一可寻址相干核自旋转换。0.1秒的自旋退相干时间比那些需要通过耦合电子自旋实现电驱动的方法长几个数量级。这些结果表明，高自旋四极核可应用于全电子控制的混沌模型、应变传感器和混合自旋-机械量子系统，集成电可控原子核与量子点可以为可扩展的基于核自旋和电子自旋的硅量子计算机铺平道路，这些计算机不需要振荡磁场即可操作。相关结果以“Coherent electrical control of a single high-spin nucleus in silicon”为题发表在Nature上。
二、单个高自旋原子核对的相干电控制
三、内在机理探讨
从前面的介绍可以看出，得到的单核自旋的相干纯粹电控制非常显著。为了从微观上理解这一现象，研究者们进一步探讨了电场到底是如何影响原子核自旋的。对单个NER转换的观察——由核四极分裂fQ分开——意味着在核位置必须存在一个静态EFG，这要求打破硅晶体的Td（四面体类）对称性。Td对称性可以通过不同方向的应变和电场极化原子键而破坏。对实验器件的研究可知，较大且带电的给体原子引入了局部晶格畸变，将其四个同等的Si原子移动0.2Å，并沿键方向极化电荷密度（图4b、d）。然而，这还没有破坏Td对称性。Si和Al在冷却至低温时的不同热膨胀引起了器件应变分布，最终得到了EFG。理论模型得到的四极分裂fQ空间图与实验研究得到给体的预测位置上有很好的一致性，对外加电场带来的耦合强度计算有R14=1.7×1012m-1，也得到了文献的定量支持。这一系列努力表明，核电共振是一种真正的局部微观现象：晶格应变带来了非零的EFG，通过调节外加电场，可以实现单核自旋中的LQSE和NER。
小结
在采访时，Morello教授用台球桌的比喻来解释了采用电场控制核自旋的重要意义。 “进行磁共振就像试图通过抬起和摇晃整个台球桌来移动上面的特定球。”他说：“我们可以移动目标球，但同时也会移动其他所有球。”然而，“电共振的突破就像是被人递给一根真正的台球棒，可以把球打到你想要的地方。”
Morello教授表示：“这一发现意味着，我们现在有了一条利用单原子自旋来构建量子计算机的途径，而不需要任何振荡磁场来操作它们。”“此外，我们还可以利用这些原子核作为极其精确的电场和磁场传感器，并且通过它们回答量子科学中的基本问题。”
Andrea Morello教授、Vincent Mourik博士与Serwan Asaad博士。图片来源：Lee Henderson/UNSW
Andrea Morello教授长期致力于量子计算的固态器件的开发。团队于2017年8月与新南威尔士州政府等合作伙伴一起，推出了澳大利亚第一家量子计算公司Silicon Quantum Computing Pty Ltd，用以推进团队独有技术的开发和商业化。团队计划在2022年前开发出10个量子比特原型的硅量子集成电路，这将是建造世界上第一台硅量子计算机的第一步。
或许在不久的将来，量子计算将彻底改变我们的世界！
参考来源：
https://www.nature.com/articles/s41586-020-2057-7
https://phys.org/news/2017-09-flip-flop-qubits-radical-quantum.html
