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 據悉，巴塞爾大學和瑞士納米科學研究所的研究人員首次做到三能級系統中的量子干涉，進而控制單個電子自旋的行為。研究使用了新型納米級機械振蕩器，其量子系統以金剛石懸臂的形式集成在振蕩器中。研究結果發表于《Nature Physics》雜志。

      電子自旋是每個電子固有的基本量子力學性質。在量子世界中，電子自旋定義為電子圍繞其軸的旋轉方向，通常可以有兩個本征態“向上”和“向下”。這種旋轉的量子特性可應用于未來技術，例如超精確的量子傳感器。

機械振蕩器結合自旋

      Patrick Maletinsky教授和準博士Arne Barfuss來自巴塞爾大學瑞士納米科學研究所的帶領的研究人員在《Nature Physics》雜志報告中提出了一種通過機械系統將量子系統與機械振蕩器結合起來控制自旋量子行為的新方法。即研究人員操控被困在“氮空位”中心的自旋電子嵌入由金剛石制成的單晶機械諧振器中。這些氮空位的旋轉十分特殊，不僅具有“向上”和“向下”兩種本征態，還有第三種--“零”本征態。利用機械振蕩器與自旋電子的特殊耦合，他們首次實現對這種三能級系統量子的完全控制。

三種量子態的控制

      振蕩器可幫助研究人員對自旋中的三種可能的轉變和所產生的激發通路如何相互干擾進行研究。這種“封閉輪廓驅動”的電子自旋現象之前從未被研究過，研究人員對其基本原理和實際應用產生了濃厚的興趣。例如，實驗中可做到打破時間反轉對稱性，即時間方向相反而實際電子沒有對應反轉情況下，系統的屬性就會完全不同。此時，機械振蕩器的相位可確定電子旋轉方向為“順時針”（上，下，零）或是“逆時針”。

擴展連貫性

      與有名的薛定諤貓理論類似，擴展連貫性這個概念雖然抽象，但對量子態有實際的影響。，旋轉可以在一定時期內同時處于兩個或三個可用本征態的疊加，即所謂的量子相干時間。

      研究人員利用閉合輪廓驅動將三個本征態相互耦合，可以顯著延長相干時間。與僅驅動三個可能轉換中的兩個的系統相比，相干性增加了近百倍。這種一致性保護是未來量子技術的關鍵，也是這項工作的另一個主要成果。

傳感器技術方面的應用

      目前對于從納米級物體出現的隨時間變化的信號的精確測量還很難以其他方式解決，而自旋和振蕩系統的組合顯示出對自旋相干性的保護，可提供很好的解決方案。該工作將具有很高的應用潛力，未來混合諧振器-自旋系統可以用于精確測量頻率在千兆赫范圍內的時間相關信號 - 例如量子感測或量子信息處理。