哈佛大学
教授
米哈伊尔·卢金(左)和首席研究员朱利亚·塞梅吉尼观察到了一种被预言和猎杀了50年但从未被观测到的物质状态
在LISE大楼内，他们用激光研究量子自旋液体
克里斯·斯尼贝/哈佛员工摄影师
信用:克里斯·斯尼贝/哈佛员工摄影师 1973年，物理学家菲利普·W
安德森从理论上证明了一种新的物质状态的存在，这是该领域的一个主要焦点，尤其是在量子计算机的竞赛中
这种奇异的物质状态被称为量子自旋液体，与名字相反，与日常液体如水无关
相反，这一切都是关于永不冻结的磁铁和其中的电子旋转的方式
在常规磁铁中，当温度下降到一定温度以下时，电子稳定下来，形成具有磁性的固体物质
在量子自旋液体中，电子在冷却时不会稳定，不会形成固体，并且在有史以来最纠缠的量子态之一中不断变化和波动(像液体一样)
量子自旋液体的不同性质具有很好的应用前景，可用于推进量子技术，如高温超导体和量子计算机
但是这种物质状态的问题在于它的存在
没有人见过它——至少，这种情况已经持续了将近50年
今天，一个由哈佛大学领导的物理学家团队表示，他们终于通过实验证明了这种长期以来备受追捧的奇异物质状态
这项工作在《科学》杂志的一项新研究中进行了描述，标志着朝着能够按需产生这种难以捉摸的状态并获得对其神秘本质的新理解迈出了一大步
“这是该领域非常特殊的时刻，”乔治·瓦瑟尔·莱韦特物理学教授米哈伊尔·卢金说，他是哈佛量子倡议(HQI)的联合主任，也是这项研究的资深作者之一
“你真的可以触摸、戳和戳这个奇异的状态，并操纵它来理解它的属性
…这是人们从未能够观察到的一种新的物质状态
" 这项科学研究的成果有朝一日会为设计更好的量子材料和技术提供进步
更具体地说，来自量子自旋液体的奇异性质可能是创造更坚固的量子比特(被称为拓扑量子比特)的关键，这种比特有望抵抗噪声和外部干扰
“这是量子计算的一个梦想，”哈佛-马克斯·普朗克量子光学中心博士后、该研究的主要作者Giulia Semeghini说
“学习如何创建和使用这样的拓扑量子位将代表着向实现可靠的量子计算机迈出的一大步
" 研究小组开始使用实验室最初在2017年开发的可编程量子模拟器来观察这种类似液体的物质状态
模拟器是一种特殊的量子计算机，允许研究人员创建可编程的形状，如正方形、蜂窝状或三角形晶格，以设计超冷原子之间的不同相互作用和纠缠
它被用来研究大量复杂的量子过程
使用量子模拟器的想法是能够再现凝聚态系统中发现的相同微观物理，特别是在系统的可编程性允许的自由下
该研究的合著者苏比尔·萨赫德夫(Subir Sachdev)说:“你可以将原子移动到你想要的距离，你可以改变激光的频率，你可以真正改变自然的参数，这是在早期研究这些东西的材料中无法做到的。”
“在这里，你可以观察每个原子，看看它在做什么
" 在传统的磁体中，电子自旋以某种规则的模式指向上或指向下
例如，在日常的冰箱磁铁中，自旋都指向同一个方向
这是因为旋转通常以方格图案进行，并且可以配对，这样它们可以指向相同的方向或交替的方向，保持一定的顺序
量子自旋液体没有显示出任何磁性
这是因为，本质上，增加了第三个旋转，将方格图案变成了三角形图案
虽然一对总是可以稳定在一个方向或另一个方向，在一个三角形中，第三个自旋总是奇数电子出来
这就形成了一个“受抑”磁体，电子自旋不能稳定在一个方向上
塞姆吉尼说:“本质上，它们在同一时间以一定的概率处于不同的配置。”
“这是量子叠加的基础
" 哈佛大学的科学家们使用模拟器创建了他们自己的受抑晶格模式，将原子放在那里相互作用和纠缠
然后，研究人员能够测量和分析整个结构纠缠后连接原子的弦
这些被称为拓扑弦的弦的出现和分析，意味着量子关联正在发生，物质的量子自旋液态已经出现
这项工作建立在萨克德夫和他的研究生莱茵·萨马杰达尔早期理论预测的基础上，以及哈佛大学物理学教授阿什文·维斯瓦纳和HQI博士后鲁本·维尔雷森的具体建议之上
这项实验是与马克斯·普朗克-哈佛量子光学研究中心联合主任、物理学教授乔治·瓦瑟尔·莱韦特的实验室，以及来自因斯布鲁克大学和波士顿奎拉计算公司的科学家合作完成的
“理论和实验之间的反复非常刺激，”Verresen说
“这是一个美丽的时刻，拍摄了原子的快照，预期的二聚体构型让我们眼前一亮
可以肯定地说，我们没有想到我们的建议会在几个月内实现
" 在证实了量子自旋液体的存在后，研究人员转向了这种物质状态在创建强健的量子比特方面的可能应用
他们进行了一项概念验证测试，结果表明有一天有可能通过使用模拟器将量子自旋液体放入一个特殊的几何阵列中来创建这些量子比特
研究人员计划使用可编程的量子模拟器继续研究量子自旋液体，以及如何利用它们来创建更健壮的量子比特
毕竟，量子比特是量子计算机运行的基本构件，也是其巨大处理能力的来源
塞姆吉尼说:“我们展示了如何创建这个拓扑量子位的第一步，但我们仍然需要展示如何对它进行编码和操作。”
“现在还有很多东西需要探索
"
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