科學家證明了電子自旋傳輸量子信息的潛力

電子的自旋是大自然完美的量子位元，能夠將信息存儲的範圍擴展到「一」或「零」之外。利用電子的自旋自由度（可能的自旋態）是量子信息科學的一個中心目標。

勞倫斯伯克利國家實驗室 (Berkeley Lab) 的研究人員 Joseph Orenstein、Yue Sun、Jie Yao 和 Fanghao Meng 最近取得的進展表明，磁振子波包——電子自旋的集體激發——有可能在稱為反鐵磁體的一類材料中傳輸相當長距離的量子信息。他們的研究顛覆了人們對這種激發如何在反鐵磁體中傳播的傳統理解。即將到來的量子技術時代——計算機、感測器和其他設備——取決於在遠距離保真地傳輸量子信息。

憑藉他們的發現（發表在《自然物理學》雜誌上的一篇論文中），Orenstein 和同事們希望已經向這些目標邁進了一步。他們的研發是伯克利實驗室更廣泛推進量子信息努力的一部分，該努力涵蓋了從理論到應用的整個量子研究生態系統，以製造和測試基於量子原理的設備，並開發軟體和演算法。

電子的自旋是材料中磁性的原因，可以認為是微小的條形磁鐵。當相鄰的自旋以交替方向定向時，結果是反鐵磁有序，並且這種排列不會產生淨磁化強度。

為了了解磁振子波包如何在反鐵磁材料中移動，Orenstein 的小組使用成對的雷射脈衝來擾動一個地方的反鐵磁順序，同時探測另一個地方，從而產生它們傳播的快照。這些圖像顯示，磁振子波包向四面八方傳播，就像投入池塘中的鵝卵石產生的漣漪一樣。

伯克利實驗室的團隊還表明，在反鐵磁體 CrSBr（硫化溴鉻）中的磁振子波包的傳播速度和距離比現有模型預測的要快得多。這些模型假設每個電子自旋僅與其鄰居耦合。一個類比是一個球體系統，通過彈簧連接到附近的鄰居；將一個球體從其首選位置移開會產生一個隨著時間推移而傳播的位移波。令人驚訝的是，這種相互作用預測的傳播速度比團隊實際觀察到的速度慢幾個數量級。

「然而，回想一下，每個旋轉的電子都像一個微小的條形磁鐵。如果我們想像用代表旋轉電子的微小條形磁鐵來代替球體，圖像就會完全改變。」Orenstein 說。「現在，每個條形磁鐵不再僅僅與附近的磁鐵發生局部相互作用，而是通過與將冰箱磁鐵吸到冰箱門上的相同長程相互作用，與整個系統中的其他每個磁鐵耦合。」

這種長程相互作用解釋了伯克利實驗室團隊發現的顯著的自旋傳播速度。

這項研究得到了美國能源部科學辦公室的支持。

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洛倫斯伯克利國家實驗室（Berkeley Lab）致力於通過清潔能源、健康地球和發現科學的研究來為人類提供解決方案。該實驗室成立於1931年，基於團隊能最佳解決重大問題的信念，伯克利實驗室及其科學家已獲得16項諾貝爾獎。來自全球的研究人員依賴該實驗室的世界一流科學設施進行他們的開創性研究。伯克利實驗室是一個多計畫國家實驗室，由加利福尼亞大學管理，隸屬於美國能源部的科學辦公室。

美國能源部的科學辦公室是美國物理科學基礎研究的最大單一支持者，並致力於應對我們時代的一些最緊迫的挑戰。部分資料參考自美國能源部與美國NSO團隊。