量子躍遷中心支持的研究利用原子級量子系統推進了量子模擬領域的發展。鑽石通常因其完美無瑕的光澤而備受推崇，但物理學助理教授祖沖之卻看到了這些天然晶體更深層的價值。正如物理學領域最負盛名的期刊之一《物理評論快報》（Physical Review Letters）所報道的，Chong Zu團隊在將鑽石轉化為量子模擬器的探索中邁出了重要一步。

外場驅動鑽石內的量子粒子，創造出長壽命量子系統。資料來源：聖路易華盛頓大學

論文的共同作者包括物理學教授凱特-默奇（Kater Murch）、博士生何光輝、龔若天（Ruotian (Reginald) Gong）和劉中原。他們的工作得到了量子躍遷中心（Center for Quantum Leaps）的部分支持。量子躍遷中心是藝術與科學戰略計畫的一個標誌性倡議，旨在將量子見解和技術應用於物理學、生物醫學和生命科學、藥物發現以及其他意義深遠的領域。

研究人員用氮原子轟擊鑽石，使其轉變。其中一些氮原子會移位碳原子，從而在原本完美的晶體中產生缺陷。由此產生的空隙中充滿了電子，這些電子具有自旋和磁性，其量子特性可被測量和操縱，應用範圍十分廣泛。

正如Zu 和他的團隊先前透過對硼的研究所揭示的那樣，這種缺陷有可能被用作量子感測器，對周圍環境和彼此間的環境做出反應。在新的研究中，研究人員關注的是另一種可能性： 利用不完美的晶體來研究無比複雜的量子世界。

經典電腦（包括最先進的超級電腦）不足以模擬量子系統，即使是只有十幾個量子粒子的系統。這是因為每增加一個粒子，量子空間的維度就會呈指數成長。但新研究表明，使用可控量子系統直接模擬複雜的量子動力學是可行的。Zu說：”我們精心設計我們的量子系統，創建一個模擬程​​式並讓它運行。最後，我們觀察結果。這是使用經典電腦幾乎不可能解決的問題。”

研究小組在這一領域的進展將有助於研究多體量子物理學中一些最令人興奮的方面，包括實現物質的新階段和預測複雜量子系統的突發現象。

在最新的研究中，Zu 和他的團隊能夠讓他們的系統保持穩定長達10 毫秒，這在量子世界中是很長的一段時間。值得注意的是，與其他在超低溫條件下運行的量子模擬系統不同，他們的鑽石系統是在室溫條件下運作的。

保持量子系統完好無損的關鍵之一是防止熱化，即係統吸收大量能量後，所有缺陷都會失去其獨特的量子特徵，最終看起來一模一樣。研究小組發現，他們可以透過快速驅動系統，使其來不及吸收能量，從而推遲這一結果的發生。這使得系統處於相對穩定的”預熱”狀態。

這種基於鑽石的新系統使物理學家能夠同時研究多個量子區域的相互作用。它也為製造靈敏度越來越高的量子感測器提供了可能。”量子系統存在的時間越長，靈敏度就越高，”Zu 說。

Zu 和他的團隊目前正在與量子躍遷中心的其他華盛頓大學科學家合作，以獲得跨學科的新見解。在藝術與科學領域，Zu 正與物理學副教授Erik Henriksen 合作，以提高感測器的性能。他還計劃利用它們來更好地理解物理學助理教授盛然實驗室創造的量子材料。他也與地球、環境和行星科學教授菲利普-斯基默（Philip Skemer）合作，從原子層面觀察岩石樣本中的磁場；並與物理學助理教授尚卡爾-穆克吉（Shankar Mukherji）合作，對活生物細胞中的熱力學進行成像。