量子物理研究的主要目标之一是测量由许多相互作用粒子组成的大型系统的量子态。这对于开发量子计算机和其他量子信息处理设备可能特别有用。

剑桥大学卡文迪许实验室的研究人员最近推出了一种测量核系综自旋态的新方法，该系统由许多具有长寿命量子性的相互作用粒子组成。这种方法发表在近期《Nature Physics》杂志上的一篇论文中，其工作原理是利用该系统对集体自旋激发的响应。

进行这项研究的两位研究人员Claire Le Gall和Mete Atatüre说：“对于密集的量子物体(例如自旋)，不可能单独测量每个物体来了解它们如何相互作用。相反，人们可以在整体的集体反应中寻找明显的信号。这有点像研究一群鸟的行为，可能会清楚它们之间是如何相互交流的。我们感兴趣的系统是在半导体量子点中的一大群或整体的核自旋。”

2002年，哈佛大学的三位物理学家发现半导体量子点中的大型核自旋集合可能是研发固态量子存储器的潜在技术，并在一年后发表了他们的研究成果。19年后，Le Gall、Atatüre和他们的同事使用“代理”量子比特研究了这种类型的核集合，正如在他们最新论文中所报道的那样，这是一种同时耦合所有核自旋的电子自旋。

该论文第一作者Dorian Gangloff说：“我们最近取得了一个重要的里程碑，我们证明了核系综的集体模式(即自旋波)可以通过电子相干地激发。在我们的新研究中，我们开始使用这些电子激发的自旋波来改变核系综的状态并将其读出。这将演示利用电子自旋进行基本形式的‘写入’和‘读出’。”

剑桥科学家提出这个方法背后的想法是，由电子自旋激活的核自旋波模式的类型取决于正在检查的核集合态。例如，一种自旋波模式会增加系综的极化(即所有自旋指向“向上”的程度)，而另一种则减少了它。这两种不同的自旋波模式的相对强度取决于整体指向是“向上”或“向下”的程度。因此，测量这两种模式可以提供关于每个核自旋平均已经指向上或下多少的有价值见解，从而最终允许研究人员推断自旋种群。

Atatüre说：“但还有更多。如果核自旋事先相互作用并建立了一些相互信息，在这种情况下可以是量子性的，那么电子作为与这些核一对一耦合的量子对象，将能感受这种预先存在的互动。这改变了它可以激发的自旋波模式的强度，这是我们这种方法的独特之处。因此，结合对多个自旋波模式的测量，我们能够将电子作为系综中的原子核间纠缠的‘见证人’。”

研究人员使用“代理”电子自旋量子比特观察多体系统的方法，为在不依赖单个自旋读数的情况下探测核集合态开辟了新的有趣可能性。与之前提出的方法相比，他们的方法利用代理量子比特与密集核系综接触相互作用的固有连接性，最终从这些系统中提取了有趣的信息，包括它们的量子特性。

Le Gall说：“也许可以把我们的方法比喻为管弦乐队，在那里，人们可以判断音乐家们是否有一起表演，而无需事先分别了解每种乐器。我们的研究还首次表明，半导体量子点(世界上最好的单光子源之一)中的核自旋系综可以承载多个自旋纠缠，因此可以作为高效连接到光的大型量子资源。”

未来，探测核系综自旋态的新技术可以为新量子技术的发展铺平道路。研究小组现在正试图设计他们论文中研究的量子点，以确保它们的自旋系综具有更大的相干性，并表现出更多的量子特性。

Gangloff说：“如果我们想将量子点核用于量子存储器，这将是至关重要的。一旦我们实现了更高的一致性，特别是基于不同生长方法的新一代量子点，将比迄今为止使用的量子点有希望实现百倍的改进。我们未来的计划包括将原子核制作成更加受控的量子态，了解这种多体系统中纠缠如何丢失和保留，并证明这种资源可用于量子计算和量子通信。”（编译:Qtech）