哈佛科学家观察到量子自旋液体：一种从未见过的物质状态

哈佛大学的研究人员观察到一种被预测了50年但以前从未观察到的物质状态。1973年，物理学家菲利普·沃伦·安德森（Philip W. Anderson）提出了一种新的物质状态的理论，该物质状态一直是该领域的一个主要焦点，尤其是在量子计算机的竞赛中。

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这种奇怪的物质状态被称为量子自旋液体（quantum spin liquid），与名称相反，它与水等日常液体毫无关系。相反，它是关于永远不会冻结的磁体和其中电子的旋转方式。在普通的磁体中，当温度降到一定温度以下时，电子会稳定下来，形成具有磁性的固体物质。在量子自旋液体中，电子在冷却时并不稳定，也不形成固体，而是不断变化和波动（像液体一样），处于有史以来最纠缠的量子状态之一。

量子自旋液体的不同特性具有很好的应用前景，可以用来推动量子技术，如高温超导体和量子计算机。但是关于这种物质状态的问题一直是它的存在。没有人见过它--至少，近50年来一直是这种情况。

近日，一个由哈佛大学领导的物理学家团队说，他们终于在实验中记录了这种长期寻求的物质状态。这项工作在《科学》杂志的一项新研究中进行了描述，并标志着朝着能够按需生产这种难以捉摸的状态和获得对其神秘性质的新理解迈出了一大步。

“这是该领域一个非常特殊的时刻，”乔治·瓦斯默·莱弗里特物理学教授、哈佛量子计划（HQI）联合主任、该研究的资深作者之一Mikhail Lukin说。“你可以真正地触摸、拨弄和探测这种奇异的状态，并操纵它以了解其特性。...这是一种人们从未能够观察到的新的物质状态。”

从这项科学研究中获得的知识有一天可以为设计更好的量子材料和技术提供进展。更具体地说，来自量子自旋液体的奇异属性可能是创造更强大的量子比特--被称为拓扑量子比特--的关键，这些比特有望抵抗噪音和外部干扰。

哈佛-马克斯-普朗克量子光学中心的博士后研究员、该研究的主要作者Giulia Semeghini说：“这是量子计算的一个梦想。学会如何创建和使用这样的拓扑量子比特将代表着向实现可靠的量子计算机迈出的重要一步。”

研究小组着手使用实验室最初在2017年开发的可编程量子模拟器来观察这种物质状态。该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、蜂窝状或三角形格子，以设计超冷原子之间不同的相互作用和纠缠关系。它被用来研究一系列复杂的量子过程。使用量子模拟器的想法是能够重现在凝聚态系统中发现的相同的微观物理学，特别是在系统的可编程性允许的自由度下。

“你可以随心所欲地移动原子，你可以改变激光的频率，你可以真正地改变自然界的参数，而这是你在早期研究这些东西的材料中无法做到的，”

研究报告的共同作者 Subir Sachdev 说，他是赫歇尔-史密斯物理学教授。“在这里，你可以看着每个原子，看看它在做什么。”

在传统的磁铁中，电子自旋以某种有规律的方式指向上方或下方。例如，在日常的冰箱磁铁中，自旋都指向同一个方向。发生这种情况是因为自旋通常以棋盘格的模式工作，并且可以配对，以便它们可以指向同一个方向或交替的方向，保持一定的秩序。

量子自旋液体没有显示这种磁秩序。发生这种情况的原因是，从本质上讲，有第三个自旋加入，将棋盘格图案变成了三角形图案。虽然一对自旋总是可以稳定在一个方向或另一个方向，但在一个三角形中，第三个自旋将总是奇数的电子。这就形成了一个"受挫"的磁体，电子自旋不能稳定在一个方向上。

Semeghini说：“从本质上讲，它们在同一时间以一定的概率处于不同的配置中。"这是量子叠加的基础。”

哈佛大学的科学家们使用模拟器来创建他们自己的晶格图案，将原子放在那里进行互动和纠缠。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存在和分析，标志着量子关联正在发生，物质的量子自旋液体状态已经出现。

这项工作建立在Sachdev和他的研究生Rhine Samajdar的早期理论预测，以及哈佛大学物理学教授Ashvin Vishwanah和HQI博士后Ruben Verresen的具体提议上。该实验是与George Vasmer Leverett物理学教授Markus Griener的实验室，以及来自因斯布鲁克大学和波士顿QuEra计算公司的科学家合作完成的。

“理论和实验之间的反反复复是非常刺激的，”Verresen说。“当拍下原子的快照和预期的二聚体构型盯着我们看时，那是一个美丽的时刻。可以说，我们没有想到我们的提议会在几个月内实现。”

在确认了量子自旋液体的存在后，研究人员转向了将这种物质状态用于创造坚固的量子比特的可能应用。他们进行了一个概念验证测试，显示有一天可能通过使用模拟器将量子自旋液体放在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，以及如何使用它们来创建更强大的量子比特。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。

“我们展示了如何创建这种拓扑量子比特的最初步骤，但我们仍然需要证明你如何能够实际编码和操纵它，”Semeghini说。“现在还有很多东西需要探索。”

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