新华网北京9月14日电 题：做核磁为啥要摘首饰？解密量子自旋的现实妙用
新华网刘子明 林雨南 郭晓婷
提到“自旋”，不少人第一反应都会联想到陀螺打转、地球自转。但量子世界中的量子自旋，并不是电子、原子核真的在转圈，而是微观粒子与生俱来的内禀属性，和质量、电荷一样，是粒子自带的“身份标签”。去医院做核磁共振为什么要摘掉金银首饰？老式硬盘如何实现大容量存储？下一代量子比特靠什么实现？国家级人才、国家重点研发计划首席科学家、北京航空航天大学教授周苗，为我们解锁这些量子科技的奥秘。
什么是量子自旋？它名字里带“旋转”，实际并不转圈
宏观世界里，陀螺实实在在绕轴心转动。早期科学家刚发现这一现象时，也曾以为电子如同小球高速自转。但计算后发现，如果电子真的实体旋转，它的表面速度会远超光速，违背现有的物理定律。量子自旋只是被命名为“自旋”，并不是粒子实体在转动，它是微观粒子天生自带的量子角动量。
电子的自旋十分特别，它只有两种分立状态，可以通俗理解为“自旋向上”和“自旋向下”，不存在半上半下的中间过渡状态，就像抛硬币，只有正面、反面两种结果。当施加外部磁场时，粒子自旋的朝向就会发生改变。
可以打个通俗比方：每一个氢原子核，都相当于一枚极小的微型小磁针。没有磁场的时候，亿万枚小磁针朝向杂乱无章；一旦加强磁场，大量小磁针就会齐刷刷对齐，呈现出可观测的集体效应。
宏观物体感受不到自旋效应，是因为一块石头、一个人体都包含数以亿计的原子，无数粒子的自旋朝向杂乱分布，整体效应相互抵消，宏观上完全观测不到。只有缩小到原子、电子尺度，自旋的作用才会凸显出来。
量子自旋三大核心特质，读懂微观“小磁针”的魔力
1.与生俱来，无法关闭
自旋是粒子固有本性，电子、质子生来就有自旋。我们无法把自旋“关掉”，只能依靠磁场、微波信号来翻转、调控它的朝向。
2.状态非此即彼，只有固定选项
电子自旋不存在连续渐变，只有向上、向下两种量子态。正是这种二选一的特性，让自旋可以充当天然量子比特，成为量子计算领域重要的技术路线。
3.对磁场非常敏感
一点点磁场变化，就会改变自旋朝向。这份敏感性既是短板——环境轻微干扰就会造成退相干；同时也是巨大优势，人们可以利用这种特性，制造出超高灵敏度探测设备。
警惕打着“量子自旋”旗号的伪科学
随着量子相关概念热度升高，市面上出现不少蹭概念的产品：“量子自旋理疗床垫”“自旋能量手环”“自旋活化水杯”，商家宣称这类产品可以借助量子自旋调节人体磁场、疏通气血、改善睡眠。
这些宣传全部属于营销噱头。想要定向操控粒子自旋，需要用到精密磁场设备、微波控制系统，普通手环、床垫、水杯根本达不到这样的硬件条件。人体内部虽然存在原子自旋，但在正常生理环境下，它们受到热运动和环境相互作用的影响，整体上呈近似随机分布状态，民用消费品没有能力以精确及可控的方式操纵人体内特定自旋，更谈不上治病养生的功效。
量子自旋就在我们身边
做核磁共振检查时，为什么要摘掉项链、手镯、金属发卡？
根源就在氢核自旋。我们人体70%左右是水，水分子中含有大量氢原子核，每一个氢核都拥有自旋，相当于无数枚微小的磁针。核磁共振设备会先把人体内杂乱分布的氢核自旋统一到同一个方向，再发射射频脉冲，扰动自旋使其发生翻转；仪器捕捉自旋恢复过程中释放的信号，由计算机重建出人体内脏、软组织图像，不用开刀就能看清病灶。
很多人做核磁检查前，护士会反复提醒摘掉金镯子、耳环、钥匙、金属发卡等物品，如果体内有钢板、心脏起搏器要提前告知，很多人以为这只是怕弄坏机器。其实，这背后可能有两层风险：第一，铁磁性金属会被强磁场高速吸附，小物件会变成“飞弹”伤人；第二，金银这类非铁磁金属虽然不会被磁场吸飞，但在射频脉冲作用下会发热，容易烫伤皮肤，同时金属会搅乱局部磁场，干扰氢核自旋信号，拍出的片子会出现大片黑影，导致医生无法诊断病情。不少患者误以为黄金没事，戴着金手镯做检查，出现手镯在检查舱内发烫抖动的情况，就是这个原理。
很多人会问：核磁共振检查有没有辐射？这里的“核”指氢原子核自旋，并不是核辐射，这项检查本身不存在电离辐射，这也是它安全无创的原因。
电脑旧机械硬盘的大容量存储，也来自电子自旋的巨磁阻效应。
十几年前容量为几百GB的台式机硬盘，数据记录在盘片的微小磁畴中。每个磁畴里大量原子的电子自旋同向排列，形成微型磁体，两种相反磁化方向代表0和1。盘片磁畴的微弱磁场会改变磁头内部磁性层的磁化取向，进而影响电子输运：自旋方向不同的电子穿过薄膜时散射程度不一样，会产生明显电阻变化，以此完成数据读出。正是依靠自旋的这一特性，硬盘存储密度得以大幅提升，我们才能把海量照片、视频装进小小的硬盘当中。
自旋同样是量子计算的重要发展赛道。
硅基量子比特、金刚石色心量子比特，本质就是精准操控电子或者原子核自旋，通过翻转“向上”“向下”的自旋方向完成量子运算，是当前国内多条量子计算研发路线之一。
除此之外，科研人员借助自旋对磁场极度敏感的特点，开发出了自旋磁力传感器，可以捕捉极其微弱的磁场信号，应用于脑磁检测、地下管线勘探、矿产资源探测等领域。
“小小自旋”开启量子新赛道
如今基于自旋的技术已经大规模落地，核磁共振设备遍布大小医院，自旋存储技术支撑起数字时代的运转；而自旋量子比特还在持续迭代优化。
未来，随着自旋操控技术不断成熟，小型化自旋量子传感器、自旋量子芯片持续发展，有望在脑疾病早期检测、地下资源勘查、新一代量子计算机领域实现更多突破。这个看不见摸不着的“旋转”微观属性，还将持续为生产生活带来更多科技惊喜。
【责任编辑:于珊】