自旋(spin) 电子真的在自转吗？
本文主要讲解三个问题。
一.什么是自旋 二.自旋的发现史。
三.自旋的作用
一.什么是自旋
自旋这个词，乍看带有“旋转”之意，实际上与机械运动的旋转无关。
它是是量子特性之一，属于是内禀特性。
何为内禀特性呢？就是与生俱来就存在的，和宏观物体的质量类似，始终存在。
但是像宏观物体的旋转就不是，属于是可有可无。
自旋（spin）是粒子固有的角动量，是量子态在空间旋转下如何变化的一种内禀自由度。
它不是电子像小球一样真的绕自身轴旋转。
然而，如果要更深入理解自旋，则需要借助更复杂的数学工具，本文便不做展开。
未来有机会再行讲解。
二.自旋的发现史
此处使用发现并非发明，表明自旋在物理世界中真实存在，并非虚构。
简单来讲，自旋的发现一开始是由于物理实际的需要而添加，后来由Dirac方程中自然推导得出。
1922年，Stern-Gerlach实验（银原子通过非均匀磁场）只得到两束图像，意味着与磁场方向忧患的角动量/磁矩只能取某些离散值
1925年，Pauli发现电子缺少一个二值自由度，随后提出著名的泡利不相容原理：
一个原子中不能有两个电子处于完全相同的量子态。
1925 年，George Uhlenbeck 和 Samuel Goudsmit 提出：
电子本身具有一种内禀角动量。
1928年，Dirac 想构造一个同时符合
量子力学 狭义相对论的电子方程。
电子的自旋自然从方程结构中出现了。
三.自旋的作用
1.电子排布。
电子是半整数自旋结构，属于费米子，多个费米子的总波函数必须反对称，所以使得电子必须填入不同的量子态，于是产生1s, 2s, 2p, 3s,…
2.一些物质稳定的重要因素。
不相容原理迫使电子必须占据不同的量子态，所以会产生所谓的简并压力
这对很多系统极其重要，例如：
普通物质的结构； 金属电子； 白矮星； 中子星。
3.电子决定磁性。
比如一个原子里两个电子。
如果自旋反平行：↑↓
它们的磁矩可以部分或完全抵消。
如果有未配对电子：↑
则可能留下净磁矩。
再加上电子之间的量子交换作用，可以形成：
顺磁性； 铁磁性； 反铁磁性； 亚铁磁性等。
4.现代科技中的应用。
MRI / NMR
主要利用原子核的自旋和磁矩。
外磁场使核自旋产生不同能量状态，然后用射频场驱动跃迁并读取信号。
ESR / EPR
电子自旋共振直接研究未配对电子的自旋。
量子计算
电子的半整数自旋是一个二能级量子系统，可以用于编码。
中国科学家为量子互联网研制100通道单光子探测器
研究人员对超导纳米线单光子探测器（SNSPD）进行了全面重新设计，并使用一种名为高密度多芯微带线的特殊柔性材料取代同轴电缆。中国科学院上海微系统与信息技术研究所（SIMIT）的研究人员研制出一款100通道单光子探测器，为中国发展宽带量子网络打开了大门。
用这款探测器测试的原型网络显示出超过90%的通信保真度。
随着量子计算和传感技术的进步，很快将需要量子信息网络。
尽管人们正在为这种网络测试不同方案，但一种与现有光纤网络非常相似的方案很可能因其易于过渡而被采用。
单光子探测器（SPD）是此类网络的关键组件，因为它们有助于测量光子（即单个光粒子），而光子可用于存储量子信息。
SPD可帮助部署用于量子数据传输的光纤或空间链路，同时还能通过将量子态转移到光子来帮助实现量子纠缠或量子隐形传态。
使用SPD的挑战 为了让量子技术演进和规模化，我们还需要开发容量更高的SPD。
目前，用于量子研究的SPD主要有两种。
超导纳米线单光子探测器（SNSPD）是高端光电器件，探测精度极高，但运行需要超低温。
另一方面，单光子雪崩二极管（SPAD）可在室温下工作，但精度不高。
因此，SNSPD更受青睐。
然而，SNSPD的超低温要求带来了其他挑战。
为了读出信号，SNSPD要连接到保持在室温的仪器上。
这是通过相对较粗且由导热金属制成的同轴电缆实现的。
这些电缆使室温热量进入SNSPD工作的低温腔；这被称为热负载。
随着SNSPD内探测通道数量增加，读出信号所需电缆数量也增加，进而增加热负载。
对此的变通方案一直是将探测器数量限制在32个，这是单光子探测器领域的标准。
100通道SPD 为克服这一点，SIMIT的研究人员对SNSPD进行了全面重新设计，用称为高密度多芯微带线的特殊柔性材料取代同轴电缆。
这些线不仅超薄，而且隔热，因此传回低温腔的热量极少。
据SIMIT团队称，进入系统的热量是传统电缆的二十一分之一。
这使他们能够为SPD增加更多独立通道，同时保持长期稳定性，且不会显著增大SPD尺寸。
为测试其设计，研究人员让SPD连续七天全天候运行，低温腔温度仍保持在2.1K以下，非常接近0K（-273.15摄氏度）的绝对零度。
研究人员在一篇论文中指出，测试期间，各通道探测效率达到80%，同时误报率极低。
为了更贴近真实场景进行比较，团队构建了一个包含5个用户、10条双向量子链路的量子纠缠分发网络。
论文补充说，每个用户使用SPD新开发的通道接收光子，通信保真度（即量子信息的保持程度）超过90%。
研究成果发表在《激光与光子学评论》期刊上。
如果朋友们喜欢，敬请关注“知新了了”！
中国科学家为量子互联网研制100通道单光子探测器
研究人员对超导纳米线单光子探测器（SNSPD）进行了全面重新设计，并使用一种名为高密度多芯微带线的特殊柔性材料取代同轴电缆。中国科学院上海微系统与信息技术研究所（SIMIT）的研究人员研制出一款100通道单光子探测器，为中国发展宽带量子网络打开了大门。
用这款探测器测试的原型网络显示出超过90%的通信保真度。
随着量子计算和传感技术的进步，很快将需要量子信息网络。
尽管人们正在为这种网络测试不同方案，但一种与现有光纤网络非常相似的方案很可能因其易于过渡而被采用。
单光子探测器（SPD）是此类网络的关键组件，因为它们有助于测量光子（即单个光粒子），而光子可用于存储量子信息。
SPD可帮助部署用于量子数据传输的光纤或空间链路，同时还能通过将量子态转移到光子来帮助实现量子纠缠或量子隐形传态。
使用SPD的挑战 为了让量子技术演进和规模化，我们还需要开发容量更高的SPD。
目前，用于量子研究的SPD主要有两种。
超导纳米线单光子探测器（SNSPD）是高端光电器件，探测精度极高，但运行需要超低温。
另一方面，单光子雪崩二极管（SPAD）可在室温下工作，但精度不高。
因此，SNSPD更受青睐。
然而，SNSPD的超低温要求带来了其他挑战。
为了读出信号，SNSPD要连接到保持在室温的仪器上。
这是通过相对较粗且由导热金属制成的同轴电缆实现的。
这些电缆使室温热量进入SNSPD工作的低温腔；这被称为热负载。
随着SNSPD内探测通道数量增加，读出信号所需电缆数量也增加，进而增加热负载。
对此的变通方案一直是将探测器数量限制在32个，这是单光子探测器领域的标准。
100通道SPD 为克服这一点，SIMIT的研究人员对SNSPD进行了全面重新设计，用称为高密度多芯微带线的特殊柔性材料取代同轴电缆。
这些线不仅超薄，而且隔热，因此传回低温腔的热量极少。
据SIMIT团队称，进入系统的热量是传统电缆的二十一分之一。
这使他们能够为SPD增加更多独立通道，同时保持长期稳定性，且不会显著增大SPD尺寸。
为测试其设计，研究人员让SPD连续七天全天候运行，低温腔温度仍保持在2.1K以下，非常接近0K（-273.15摄氏度）的绝对零度。
研究人员在一篇论文中指出，测试期间，各通道探测效率达到80%，同时误报率极低。
为了更贴近真实场景进行比较，团队构建了一个包含5个用户、10条双向量子链路的量子纠缠分发网络。
论文补充说，每个用户使用SPD新开发的通道接收光子，通信保真度（即量子信息的保持程度）超过90%。
研究成果发表在《激光与光子学评论》期刊上。
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