一万个量子“不倒翁”，为何被“冻住”了？

大家小时候大概都玩过不倒翁——底部是半圆形的重锤，不管怎么推，晃啊晃，最终还是立回来——底部是个半圆形的重锤，无论你怎么推，它晃啊晃，最终还是立回来。

现在想象一万个不倒翁挤在一个小盒子里，还能互相推搡。你推我，我推你，推力大小各不相同，方向也乱七八糟。没多久，每个不倒翁都歪向不同方向，晃得完全不在一个节奏上——原本整齐划一的队形，散了。

在周期驱动的相互作用量子系统中，如果没有特殊保护机制，系统通常会不断吸收能量，逐渐丢失初态中的集体秩序。这个过程可以理解为热化的过程。

而合肥国家实验室与清华大学的联合研究团队刚刚做到的事情，是在一块金刚石里，让约一万个相互作用的 NV 自旋在周期驱动下保持长寿命的相干信号——而且持续时间比正常情况长了一个数量级。

这项成果发表在顶级期刊《自然》上，论文题为Dynamical freezing for magnetometry in an interacting spin ensemble。翻译过来大致是：动力学冻结，用于相互作用自旋系综的磁场测量。一句话概括：一种让量子系统在“混乱”中保持秩序的新方法，而且能用来更精准地测磁场。

量子“不倒翁”是什么？

要理解这件事，先得认识一下实验的主角——NV色心。

金刚石是碳原子按照特定方式整齐排列形成的晶体，结构极为规整。但真实世界里的金刚石总有“出错”的地方：偶尔有一个碳原子跑掉了，旁边恰好来了一个氮原子，留下一个空位。氮原子加上空位，合在一起叫氮-空位色心，英文缩写NV（Nitrogen-Vacancy）。

这个空位旁边会捕获一个电子。电子有一种基本属性叫自旋——不是字面意思上的旋转，而是量子力学里描述粒子内禀角动量的性质。你可以把它想象成一根微型磁针：指向上，或指向下，或者同时处于两种状态的量子叠加。

这根小磁针就是我们的“量子不倒翁”。当它处于某种量子叠加态时，就像一个倾斜但没倒下的不倒翁，保持着精巧的平衡。

这次实验里，研究团队用了约一万个NV色心，也就是一万根这样的小磁针，全部密集地塞在金刚石晶体的一小块区域里。

麻烦来自哪里？

一万根小磁针，每一根都在产生微弱的磁场，这个磁场又会影响周围其他小磁针的状态。这种相互影响叫作偶极-偶极相互作用——距离越近，影响越强；距离越远，影响越弱，但永远不会完全消失。

这就是问题所在。

在量子传感应用中，你希望所有的小磁针集体朝着同一个方向动，整齐划一地响应外部磁场，这样才能产生可测量的强信号。但一旦它们互相影响，这种整齐就很难维持。每根磁针感受到的来自邻居的“推力”不一样，慢慢地，大家就散开了，集体信号迅速消失。

这个过程叫退相干，是量子传感和量子计算共同面临的核心难题之一。

传统的解决思路是：既然相互作用是源头，那就想办法消除它，或者至少把它的影响抵消掉。一种成熟的技术叫动力学解耦——通过设计精巧的微波脉冲序列，让噪声和相互作用的影响在时间上相互翻转、抵消，从而延长量子态的寿命。这个方法在弱相互作用系统里效果不错，但在像高密度NV系综这样的强相互作用系统里，就力不从心了。

反直觉的操作：不消灭，而是驯服

研究团队选择了一条完全不同的路。

他们没有试图消除自旋之间的相互作用，也没有隔绝外界干扰。他们反而主动用微波去不停地“摇”这个系统——给它施加一个周期性的驱动，就像用手有节奏地晃动那个装着一万个不倒翁的盒子。

初听起来匪夷所思。系统本来就因为相互作用容易乱，你还要从外面加一个扰动？

但关键在于“摇”的方式。

研究团队仔细调整了微波驱动的两个参数：频率和失谐量（驱动频率与系统固有频率的偏差）。他们发现，当这两个参数满足一种特定的数学关系时，神奇的事情发生了：

系统在被持续驱动的情况下，系统的集体磁化在长时间内保持稳定，并在每个驱动周期的固定观测时刻呈现出类似‘冻结’的效果——比正常的退相干时间长了10倍以上。

而一旦参数偏离这个特殊条件，哪怕只是稍微偏一点点，系统就迅速热化，信号在几个周期内消失得无影无踪。

这种对参数的极度敏感性，本身就说明这不是偶然现象，而是某种深刻物理机制在起作用。

背后的物理：一道隐形护栏

这道隐形护栏，物理学家称之为涌现守恒律。

在正常的量子系统里，粒子互相碰撞，能量可以在各个自由度之间自由流动，没有什么守恒量能长期保护集体状态不被破坏。

但在特定的周期驱动下，奇怪的事情发生了：在特定周期驱动条件下，系统的有效动力学中会出现一个近似的涌现守恒量。它不是外部强加的，不是谁规定的，而是系统在特定驱动条件下自己生长出来的——涌现的，而不是天生自带的。

这个守恒量描述的正是自旋系统的集体磁化状态。有了它，即使自旋们在内部你推我搡，集体的磁化方向也被“锁住”，无法流散。整个系统就被“冻住”了。

这里的“冻”不是温度上的冷冻，而是动力学意义上的冻结，可以想象：一万个陀螺互相碰撞，按理说早该东倒西歪，四散乱飞。但如果碰来碰去的方式恰好满足某种隐秘的规律，那这些碰撞就不再破坏整体方向，反而在某种意义上相互抵消，整体的指向始终维持着。

冻住了，能干什么？

这不只是一个有趣的物理现象，它有实实在在的应用价值。

NV色心自旋对外部磁场极其敏感——磁场强度的微小变化会让自旋态发生可测量的偏转。这使得金刚石NV系综成为一种极具潜力的量子磁力计，NV 色心磁力计在材料磁结构、生物样品局域磁场和凝聚态体系研究中都有潜在应用；这类灵敏度提升有望进一步拓展其应用范围。

磁场测量的灵敏度，很大程度上取决于能维持量子相干的时间——相干时间越长，信号积累越充分，分辨率越高。而相互作用导致的退相干，一直是限制这个时间的瓶颈。

动力学冻结直接解决了这个瓶颈。它不是绕开相互作用，而是把相互作用变成保护集体信号的帮手。实验结果显示，相比传统动力学解耦方案，动力学冻结使磁场测量灵敏度提升了约2.7倍。

2.7倍，听起来不算惊天动地，但有两点值得注意。第一，这是在没有增加任何硬件复杂度的情况下实现的——不需要更冷的环境，不需要更复杂的脉冲控制，只需要全局微波场，调整几个参数就行。第二，在精密测量领域，2.7倍的灵敏度提升意味着探测极限向前推进，可以看见原本淹没在噪声里的信号。对于脑磁图、心磁图这类依赖极微弱磁信号的医学成像技术，这种提升具有实际意义。

这件事有多难？

动力学冻结这个概念并不新鲜，在理论上已经被预言了好几年。但从理论预言到真实系统中的实验观测，是一段漫长的距离。

真实的固态系统远比理论模型复杂。不同NV色心所处的局域晶体环境略有差异，导致每个自旋的共振频率不完全相同；自旋之间的相互作用强度随距离变化，分布不均匀；制备和控制过程中还有各种噪声和误差。这些不完美叠加在一起，会扰乱本来精妙的驱动条件，让涌现守恒律难以维持。

这就像要在一万个性格各异、力气深浅不一的人中间，找到一种集体运动方式，让所有人的混乱相互抵消——哪怕每个人都在做自己的事，整体方向依然稳定。

在此之前，动力学冻结在真实的相互作用量子多体系统中从未被实验观测到。这是第一次。

物理世界的一个小惊喜

这项工作真正有意思的地方，是它对“如何对抗混乱”给出了一个反直觉的答案。

通常，当一个系统容易乱时，物理学家的本能反应是：减少干扰——降低温度、隔离环境、削弱相互作用。思路的核心是压制那些让系统变乱的因素。

但这里的答案完全不同：精准地加一个扰动。不是隔绝，不是压制，而是找到那个特殊的驱动节奏，让系统在喧嚣中自己生长出秩序。

这有点像某种反直觉的生活经验：有时候，与其死命按住一个晃动的东西，不如找到它的固有节律顺势引导——它反而会稳下来。

量子世界里，这个“节律”来自涌现守恒律。那道护栏不是从外部架上去的，是系统在特定驱动条件下自己长出来的。

一万个互相推搡的自旋，在对的驱动条件下，集体冻结了。

不是因为它们停下来了，而是因为它们的混乱，恰好抵消了彼此。

论文链接：

审校：郭彦良

文章转载自“墨子沙龙”公众号