科学家在纳米晶硅表面检测到强烈纠缠的一对质子

量子力学中最有趣的现象之一是“量子纠缠”。这种现象描述了某些粒子是如何密不可分的，以至于它们的状态只能相互参照来描述。这种粒子相互作用也构成了量子计算的基础。这就是为什么近年来物理学家一直在寻找产生纠缠的技术。然而，这些技术面临许多工程障碍，包括在创建大量“量子位”(量子位，量子信息的基本单位)方面的限制、需要保持极低的温度 (<1 K)，以及使用超纯材料。表面或界面对于量子纠缠的形成至关重要。不幸的是，被限制在表面的电子容易“退相干”，两种不同状态之间没有确定的相位关系的条件。因此，为了获得稳定、相干的量子位，必须确定表面原子(或等效的质子)的自旋状态。

近日，包括名古屋市立大学松本隆弘教授、中央大学杉本秀彦教授、原子能厅大原隆博士、高能加速器研究机构池田进博士在内的科学家团队，认识到需要稳定的量子位。通过观察表面自旋状态，科学家们在硅纳米晶体的表面发现了一对纠缠的质子。

首席科学家松本教授概述了他们研究的意义，“质子纠缠以前在分子氢中被观察到，并在各种科学学科中发挥着重要作用。然而，缠结状态仅在气相或液相中发现。现在，我们已经在固体表面上检测到量子纠缠，这可以为未来的量子技术奠定基础。”他们的开创性研究发表在最近一期的《物理评论 B》上。

科学家们使用一种称为“非弹性中子散射光谱”的技术研究了自旋态，以确定表面振动的性质。通过将这些表面原子建模为“谐振子”，他们展示了质子的反对称性。由于质子是相同的(或无法区分的)，振荡器模型限制了它们可能的自旋状态，导致强纠缠。与分子氢中的质子纠缠相比，纠缠在其状态之间具有巨大的能量差异，确保了其寿命和稳定性。此外，科学家们在理论上证明了使用质子纠缠的太赫兹纠缠光子对的级联跃迁。

与现代的硅技术质子量子位的合流可能导致的经典和量子计算平台的有机结合，使量子位中的一个更大的数(106比目前可用(10)，2)，用于新超级计算应用程序和超高速处理.“量子计算机可以处理复杂的问题，例如整数分解和“旅行商问题”，而这些问题实际上是传统超级计算机无法解决的。这可能会改变量子计算在存储、处理和传输数据方面的游戏规则，甚至可能导致制药、数据安全和许多其他领域的范式转变，”乐观的松本教授总结道。

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