大家好，我是彭新华，来自中国科学技术大学，长期深耕量子信息领域。今天，我想带大家走进量子世界的核心——一个既基础又诡秘、既深刻又充满无限可能的特性，那就是量子自旋。
一提及“量子”，很多人会下意识觉得晦涩难懂。但请放宽心，量子力学的创始人玻尔早已给出过注解：“谁不对量子力学感到困惑，谁就没有真正理解它。” 所以，当你在接下来的分享中感到疑惑时，恰恰说明你正在靠近这个奇妙领域的本质。而量子自旋，正是这份“困惑与惊艳”的最佳载体。
说到自旋，我们最直观的联想便是“自转”——地球绕地轴不息转动，孩童手中的陀螺、悠悠球也以自转展现活力。我们已知世界由原子构成，电子围绕原子核高速运转，那么电子是否也像地球一样，存在自转现象?这个看似简单的疑问，曾困扰物理学界近二十年，最终揭开了量子世界的全新篇章。
1896年，荷兰物理学家塞曼的实验率先留下了线索。他观测到钠原子光谱在磁场中分裂为3条，这一现象被命名为塞曼效应，且很快得到了圆满的理论解释。然而次年，普雷斯顿在锌原子、镉原子上重复实验时，却发现光谱分裂呈现出更为复杂的形态，并非规整的3条。这种反常现象像一团迷雾，笼罩在当时的物理界上空，无人能解。
直到1916年左右，两位年轻的荷兰物理学家乌伦贝克与古兹米特，提出了一个大胆假设：电子能像地球一样自转。这一电子自旋假设，精准破解了反常塞曼效应的谜团，让迷雾初散。但新的问题随之而来：如果电子真的是“自转”，其表面线速度将远超光速，这与相对论的基本原理完全相悖——要知道，电子半径远小于1飞米(10⁻¹⁵米)，若将其视为电荷与质量均匀分布的刚性小球，自转产生的速度必然突破光速上限。这意味着，电子的“自旋”绝非经典意义上的自转。
▲电子的自旋不等于自转
幸运的是，狄拉克的研究为这一悖论画上了句号。他将量子力学与相对论融合，推导出狄拉克方程，自然而然地导出了电子自旋的存在，并且确定其自旋角动量量子数为1/2。这一发现明确了电子自旋的量子本质——它没有任何经典对应物，是微观粒子独有的特性。
▲量子自旋和自转的区别
量子自旋的神秘之处，还体现在量子世界的两大核心法则中。其一便是量子化：与经典世界中“坐电梯”般的连续变化不同，量子世界的状态如同“爬楼梯”，只能取不连续的离散值。电子自旋在磁场中的角动量，就只有两个固定取值——1/2或-1/2，不存在任何中间值，这也是电子“自旋1/2”的由来。其二则是量子叠加，这一特性让自旋更显诡秘：经典陀螺只能正转或反转，同一时刻仅能处于一种状态;但量子陀螺却能同时处于正转与反转的叠加态，打破了我们对“状态唯一性”的经典认知。
更重要的是，自旋并非电子独有，而是微观粒子的内禀属性——就像质量、电荷一样，是粒子与生俱来的基本特征。光子的自旋为1，中子的自旋为1/2，一旦这些粒子的自旋发生改变，其本质就不再是原来的粒子。这与经典世界截然不同：经典陀螺无论自转速度如何变化，始终还是同一个陀螺，自转绝非其核心属性。而微观粒子的内禀自旋，究竟源于何处、为何存在，至今仍是科学尚未完全解答的谜题。
尽管自旋的本质仍有谜团，但它早已渗透到我们生活的方方面面，成为推动科技进步的核心力量。现代存储技术的革新，便离不开自旋的贡献。巨磁阻效应的发现，引爆了磁性内存的革命，让小小的U盘能够存储海量数据，开启了现代磁学的黄金时代。而大家熟知的核磁共振(磁共振成像)，其核心原理也与自旋紧密相关——医疗设备探测的，正是人体内氢核的自旋信号，通过解析这些信号，医生得以精准诊断疾病。
不过，传统核磁共振依赖强磁场环境，超导磁体产生的强磁场会对佩戴心脏起搏器的患者构成威胁，这类人群始终无法享受这项诊疗技术。为解决这一难题，包括我们团队在内的国际研究组，都在攻关零磁场核磁共振谱仪，力求在无磁场条件下捕捉自旋信号。我们与美国加州大学伯克利分校合作研发的零场核磁共振谱仪，核心器件便是原子磁力仪——特制玻璃泡中充满的碱金属原子蒸汽，凭借自身的自旋特性，能够感知极其微弱的磁场，为零场探测提供了可能。
经过近十年的深耕，我们团队研制的自旋磁力计，探测能力持续突破。2019年时，已能捕捉到相当于地磁场100亿分之一的极微弱磁场——这个强度，堪比在地面探测到万米高空飞机上贴的小磁片产生的磁场。目前，零磁场核磁共振技术已取得阶段性成果：不仅能获得比传统高场设备更清晰的分子结构谱图，还实现了金属容器内水、人体手指及人脑的成像。尽管成像清晰度暂不及传统设备，但它无强磁场、安全性高且成本低廉，若未来普及到医院，将大幅降低医疗成本，惠及更多特殊患者。
除了医疗领域，自旋还为基础物理研究开辟了新路径，尤其在暗物质探测这一国际热点领域，展现出独特优势。我们已知宇宙中，可见物质仅占5%，其余95%由暗物质与暗能量构成，探测这类“看不见、摸不着”的物质，成为全球科研竞争的焦点。目前，国内有“悟空”号暗物质探测卫星、四川锦屏地下的PANDAX探测器等大科学装置，专攻高能区、大质量暗物质粒子，但这类项目依赖大型平台，耗资巨大。
对于低能区、超轻质量的暗物质粒子(如轴子、暗光子)，传统大科学装置难以奏效。而基于自旋的探测技术，为这类暗物质的搜寻提供了新方案。我们团队研发的桌面式暗物质探测器，核心原理便是利用自旋与暗物质的相互作用——当轴子等暗物质粒子与自旋粒子相遇时，会产生极其微弱的等效磁场，通过自旋磁力计捕捉这一磁场信号，便能间接证明暗物质的存在。相较于“上天入地”的大型装置，这种桌面式探测器成本低廉，为暗物质探测提供了更经济、灵活的路径。
目前，我们的实验已取得突破性进展：相较于大型天文学观测给出的探测界线，我们将暗光子与自旋的相互作用强度界线向下拉低了近百倍，探测能力提升显著。虽暂未直接发现暗物质，但我们已进一步缩小了暗物质可能存在的范围，为后续研究奠定了坚实基础。我始终期待，这个神秘的“自旋小精灵”，能最终照亮暗物质的真相。
量子自旋的潜力，还延伸到了量子计算领域，为突破芯片发展的物理极限提供了新方向。随着贸易战的推进，芯片自主化成为国家战略重点，而传统芯片的制程演进正逼近物理极限——原子直径约0.2纳米，当芯片制程达到这一量级，经典技术便难以为继。量子计算，正是破解这一困境的关键，而自旋，正是量子计算的核心载体之一。
经典计算的基本单元是比特，仅能在同一时刻处于0或1中的一种状态，运算需逐一执行;而量子自旋的叠加特性，让量子比特可同时处于多种状态。一个自旋比特相当于两台经典电脑并行工作，两个自旋比特相当于四台，十个自旋比特便相当于1024台——这种指数级增长的运算能力，远超经典计算的极限。
就像孙悟空的七十二变，无数“分身”同时发力，让运算效率实现质的飞跃。
这种强大的并行运算能力，能解决经典计算难以攻克的难题。例如大数质因子分解，经典计算机需要15万年才能完成的任务，量子计算机凭借自旋比特的叠加优势，仅需1秒钟便可达成。这一突破，不仅能推动密码学、材料科学等领域的革命，更能让人类突破现有计算能力的桎梏。
回望物理学史，自旋的发现与发展，是一段群星璀璨的辉煌历程，与之直接相关的诺贝尔奖多达十数次，横跨物理、化学、生物三大领域。但我们必须承认，人类对自旋的认知，仍未触及终极真相——它的本质、它的起源，依然藏在量子世界的迷雾中。
从医疗诊断到暗物质探测，从数据存储到量子计算，自旋以其独特的特性，为人类打开了一扇又一扇科技之门。能够投身自旋相关研究，于我而言是莫大的荣幸。也希望有更多怀揣科学梦想的年轻人，能加入我们的行列，与我们一同探索这份神秘，让量子自旋为人类的未来，照亮更广阔的天地。
谢谢大家。
本文来自微信公众号：格致论道讲坛，作者：彭新华