原本需要15万年才能解决的问题，有了它只需1秒 | 彭新华——周末讲坛

中国物理学会期刊网 2022-05-18

The following article is from 格致论道讲坛 Author 彭新华

“自旋的发现与发展在物理学史上是一段极其辉煌的历史，与其直接相关的诺贝尔奖就有十多次。然而，我们对神秘的自旋还没有完全了解清楚。”

彭新华

中国科学技术大学教授

大家好，我叫彭新华，来自中国科学技术大学，从事量子信息领域的研究。今天想和大家一起分享的主题是在量子世界，或者说微观世界中，最基本、最神秘、也最难懂的一个特性——量子自旋。

很多人一听到量子，可能就会担心接下来的内容会听不懂。其实没有关系，著名的物理学家、量子力学的创始人玻尔曾经说过：“谁不对量子力学感到困惑的话，他就没有理解它。”因此，如果你有了困惑，说明你开始逐渐理解它了。

那么，就让我们一起来看看量子自旋到底是什么。

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电子自旋假设：假设电子能像地球一样自转起来

说到自旋，大家可能会马上想到自转。我们熟悉的地球就始终绕着它的自转轴转动着，还有小朋友们经常玩的陀螺、悠悠球等都有自转的现象。

而世界是由原子组成的，电子则是绕着原子核在做高速运动。那么，电子会不会有像地球那样的自转现象呢？科学家通过一个非常意外的发现，证实了电子存在类似于自转的现象。

1896年，著名的荷兰物理学家塞曼做了一个非常有趣的实验。他观测到钠原子的光谱在磁场中分裂成3条的现象，并且得到了很好的理论解释。这就是著名的塞曼效应。

第二年，普雷斯顿在塞曼的实验基础之上，对锌原子和镉原子做了同样的实验，但是观测到的却是不同的分裂情形。即分裂的谱线不再是3条，而是会有更复杂的分裂。这个反常的分裂把当时的物理界弄得很困惑。

在将近20年之后，荷兰两位非常年轻的物理学家乌伦贝克和古兹米特，提出了一个大胆的假设，即假设电子能像地球一样自转。这就是著名的电子自旋假设，而它很好地解释了刚才那个反常的谜团。

但是我们假想一下，如果电子真的自转起来会发生什么样的现象？

根据现在的测量数据，电子的半径尺寸是非常小的，远远小于1飞米（10^－15米）。假定电子是一个电荷和质量均匀分布的带电刚性小球，我们把这样一个非常小的小球自转起来，通过计算，会发现它表面的线速度要远远超过光速。而这是不可能存在的，因为它违背了物理学的基本原理。这也就意味着电子的自旋并不等于自转。

电子的自旋不等于自转

幸运的是，在不久后，英国的物理学家狄拉克将量子力学和相对论结合起来，发展出了狄拉克方程，自然导出了电子自旋，并且得到它的自旋角动量量子数为1/2。这样我们就可以发现电子自旋完全属于量子的范畴，它没有任何经典的对应。

那么，这样一个诡秘的自旋还有什么样的特性呢？

在量子力学中，还有很多神秘的特性。比如说在量子世界里，所有东西都是量子化的，只能取一些不连续的状态，就像我们爬楼梯只能一阶一阶地去爬。而经典世界就像坐电梯，是一个连续的过程。也就是说在量子世界里，我们只有1、2、3、4这样的状态，没有1.1、1.2。

电子自旋就是如此，电子自旋在磁场中角动量的取值也是不连续的，它只有两个分离的值，即1/2 或者－1/2，不可能有其他的值存在。这也是电子自旋1/2的由来。

量子力学里还有一个非常奇妙的特性，就是量子叠加。即作为一个量子的物体或者粒子，它能够同时处在不同的状态。

量子自旋和自转的区别

就拿陀螺来说，普通人去玩陀螺只能让它正转或者反转，它只能够处在一种状态。但如果你是在玩一个量子的陀螺，就完全不一样了，它可以出现一种同时存在正转和反转的状态。大家是不是感觉量子力学很诡秘了？

同样，其他的微观粒子也具有自旋，如我们熟悉的光子自旋为1，中子自旋为1/2。实际上，自旋是微观粒子所具有的内禀属性。

內禀属性就是指粒子基本性质，如同它的质量和电荷一样。比如说电子、光子或者中子，它们的质量、电荷和自旋都有确定的值，改变了就不是电子、光子或者中子了。

我们还可以拿经典的陀螺做对比。在经典世界玩陀螺的时候，它可以自转，自转的速度也可以改变。但是不管它自转的速度是多少，这个陀螺还是这个陀螺，它没有变化。那也就意味着在经典世界里，角动量或者自转不是经典物体的一个内禀属性。而通常来说，微观粒子具有这种内禀自旋。

但是为什么会具有这样一种内禀自旋，它到底是怎么来的？科学上我们也无法解释。

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小到原子，大到浩瀚宇宙，自旋与我们生活的一切息息相关

我们刚才说到，世界都是由原子构成的，原子、电子、中子等微观粒子都有自旋，也就意味着自旋是无处不在的。小到原子，大到浩瀚的宇宙，我们生活中的一切都与自旋息息相关。这种自旋的现象对我们到底有什么意义呢？它有哪些用途？

给大家举几个例子。首先就是现代存储，它是与自旋息息相关的。与现代存储相关的巨磁阻效应实际上引爆了一场磁性内存的革命，使得现在一个小小的U盘就能够存储大量的数据。我可以自豪地告诉大家，自旋实际上开启了现代磁学的黄金时代。

再举一个大家非常熟悉的例子，大家或许都去医院做过核磁共振（磁共振成像），但很多人可能还不知道，其实核磁共振就与自旋相关。探测的信号就是我们人体内氢核自旋的信号，通过分析氢核自旋信号就能够诊断出疾病。

在医院做核磁共振检查的时候，通常在检测室外能够看到“当心强磁场”的标志，医生也会叫你取下身上的金属物、项链，还有磁卡等物品，这是为什么呢？

医院的核磁共振设备

这张图上的圆形装置实际上是一个超导磁体，它提供了一个强磁场，做核磁共振检查一定要在这个磁场下进行。也就是说，有了这个磁场才能够去探测身体中自旋的信号。戴有心脏起搏器的人群会被禁止做这一项检查，就是因为这个强磁场会影响到起搏器所用的金属。

那是不是戴心脏起搏器的特殊人群就永远无法接受核磁共振的检测呢？于是问题就变成了，我们有没有可能不需要磁场也能够对身体做核磁共振呢？

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零磁场核磁共振：让心脏起搏器不再是障碍

近年来，国际上有多个研究组包括我们也在朝着这个方向努力，研制一种新型的零磁场核磁共振谱仪，它在没有磁场的情况下，也能够对身体内的自旋信号做磁共振。

下图中间这台谱仪是我们最近开发的一台零场核磁共振谱仪。这是我们研究组和美国的加州大学伯克利分校的D. Budker教授（图左）共同研发的成果。在这个装置里面最重要的一个器件，就是下图右边展示的原子磁力仪。

下图我手里拿的是一个特制的玻璃泡，这个泡里面充满了一种碱金属的原子蒸汽。这种碱金属的原子就是带自旋的，且能够很好地感受到极其微弱的磁场。因此，零场核磁共振就是依赖于原子自旋磁力计的发展。

在这个方面，我们研究组经过了近十年的努力，研制了若干代的自旋磁力仪，我们对磁场的探测能力也在不断地提升。

比如说，在2019年，我们已经能够探测到约是地磁场100亿分之一的极微弱磁场信号。

大家可能对这个数据没有直观的感受，我做一个简单的比方。这个磁场的大小，就相当于我们把一块小磁片贴在近万米高空飞行的飞机上，然后在地面上我们的自旋磁力计也能够感受到这个小磁片产生的磁场。当然我们还有进步的空间，我们研究组还在不断地提升探测能力。

我再给大家介绍一下在零磁场核磁共振方向，我们和国际上的一些研究小组，到底做到了什么程度。

我们研究小组主要是在做分子结构的检测。相比于传统的高场核磁共振，我们能够得到更清晰的分子结构谱图，来开展结构的分析（下图左）。

大家可能会注意到，下图第二张图就是在零磁场的环境下，做到了对金属容器内部的水成像。这就解决了我们刚才说的，配戴心脏起搏器的特殊人群不能够做核磁共振的问题。

此外，这里还展示了从一个从分子到金属，然后到人体组织的零场核磁共振，如右边两张图展示的手指和人脑的成像。尽管现在成像的清晰程度还不如传统的磁共振成像，但是它没有强磁场、更安全，而且还有一个很大的优势，就是很便宜、成本很低。如果未来能够进入到医院的话，就会大大地降低医疗成本，所以它的应用前景是非常广泛的。

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助力暗物质探测

除了核磁共振，量子自旋磁力计还对基础物理的研究起到了很大的帮助。

大家知道宇宙是由什么组成的吗？从现在的理论可以知道，实际上宇宙大部分都是由看不见摸不着的暗物质与暗能量组成，只有5%是我们看得见的物质。

探测这样的暗物质、暗能量就成为了现在国际上竞争的热点问题。很多研究小组开始去寻找暗物质的踪迹。那么如何寻找呢？我举两个国内著名的上天入地的例子。

一个是飞行在高空的”悟空”号暗物质探测卫星（下图左），还有一个是安装在四川锦屏地下的PANDAX探测器（下图右）。它们共同的特点是非常适合搜寻高能区、大质量的暗物质粒子候选者，但它们都需要借助于我们国家的大科学平台，是耗资巨大的项目。

悟空号 PANDAX

除了这些高能区的暗物质粒子候选者，实际上还有一类低能区、超轻质量的暗物质粒子候选者，比如说轴子和暗光子。对于这一类的暗物质粒子，刚才说的大型科学仪器就无能为力了。

那怎么去探测它们呢？

下图展示的是我们最近在实验室研发的一种基于自旋的暗物质探测器，如果在这台探测器上我们发现了暗物质粒子候选者，如轴子或者暗光子的迹象，那就说明我们探测到了暗物质。

基于自旋的新型微激射器，可以在实验室里寻找暗物质

看到这大家可能会疑惑，我们究竟是怎么探测暗物质的？

简单来说，就是当暗物质粒子，如轴子，遇上自旋的时候就会发生相互作用，相当于产生一个非常微弱的等效磁场，至于到底有多微弱，科学家们现在都无法预测。

但这个磁场能够用我们的自旋去测量，即如果探测出信号，那就说明这个相互作用存在，也即说明了暗物质的存在。相比于刚才上天入地的探测器，我们这里发展了一种桌面式探测装置，从成本和价格来说当然是非常经济的。

那么大家可能会问，这么多人都在搜寻暗物质，到底有没有找到呢？

这里先给大家展示一个大型天文学观测的结果，这是一个暗光子的实验结果。横轴表示的是暗光子——一种超轻质量的暗物质粒子候选者——的质量，纵轴表示的是暗光子跟自旋相互作用的强度。这个相互作用强度越弱，就代表着它在自旋上产生的磁场就越弱，也就意味着我们更难以去探测到。这是用天文学探测方式给出的一个界线。

大型天文学观测给出的暗物质界线

因为没有信号，在这个界线以上我们已经可以排除暗物质的存在。但是在这个界线以下，我们并不知道暗物质是否存在。这是受限于天文探测的测量能力。那也就意味着暗物质要是存在的话，也是在这个界线以下。

“桌面式”实验观测”给出的暗物质界线

再看看我们最近的实验结果。大家发现了什么？这个界线往下拉了。那也就意味着我们的探测能力比刚才说的天文探测更强了。

这个纵轴代表的相互作用强度减弱到近100分之一，也就意味着我们的测量能力提升了将近100倍。这个结果告诉我们暗物质只可能存在于这个界线以下。

很遗憾我们目前都没有发现暗物质，至于今后能不能够发现，还需要我们不断地努力。我也期待着这个神秘的自旋小精灵来把暗物质照亮。

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量子计算：将十五万年缩短到一秒钟

我们刚才说了量子自旋能够做核磁共振，能够做暗物质探测，它还能够做什么呢？

最近的贸易战使得大家对芯片的发展非常关心，我们国家对芯片的发展也非常关注。这里展示了我国芯片的发展历程。

到2018年，芯片的大小发展到了7纳米，那能永远这样发展下去吗？有没有物理极限？

原子的大小约为0.2纳米，这意味着芯片发展到最后，都会被某个物理极限所限制。那怎么解决这个问题呢？实际上量子计算给了我们一个解决的途径。

这里简单介绍一下量子计算到底是怎么进行的。

在经典计算中，信息的基本单元是比特，编码为二进制0和1。可以用高电平代表0，低电平代表1，我们可以对其进行操作。但是在某一个时刻它只能处在一个状态，即要么0、要么1。

但是之前我说了量子自旋具有叠加性，也就是说它可以同时处在多种不同的状态。这也就意味着，我们可以同时对这些状态进行操作。

一个自旋比特有两种不同的状态同时存在，就相当于有两台我们平时的电脑并行工作；两个自旋比特有四种不同的状态同时存在，就相当于四台平时的电脑并行工作；那么，十个自旋比特就相当于有1024台平时的电脑并行工作。

这种增长的方式大家可能还没有一个直观的概念。举个例子：大家可以把一张纸对折，如果对折30次就是2的30次方。2的30次方能够达到多高呢？可以达到珠穆朗玛峰的海拔高度。如果你对折50次，厚度就能够达到太阳与地球之间的距离了。如果有300个自旋比特，即2的300次方，那就比我们整个宇宙中所有的原子加起来的总和还要多。

再举一个形象的例子：这种并行就如同孙悟空能够七十二变，召唤出千千万万个分身的孙悟空，那完成任务的效率就大大提高了。

这么强大的效率能够做什么？它能够解决我们经典计算上不能够解决的一些问题，比如说大数质因子分解。

经典计算机和量子计算机处理大数质分解问题的效率差异

这里大家可以看出，经典计算机需要15万年时间才能解决的问题，一台量子计算机1秒钟就能够解决了。

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让自旋带给我们更光明的未来

自旋的发现和发展在物理学史上是一段极其辉煌的历史，与其直接相关的诺贝尔奖就有十多次，包括了物理、生物、化学领域。然而，我们对自旋还没有完全了解清楚。尽管自旋看上去非常简单，但其实它是非常神秘的。

我们能够用它来做核磁共振，也可以用它来探测暗物质，还可以用它来做量子计算机。对我而言，能够从事自旋相关的研究是让我感到非常幸福的一件事情，也希望有兴趣的年轻人能够加入我们的团队，让自旋给我们带来更光明的未来。

谢谢大家。

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