研究人員記錄了量子自旋液體的存在

1973 年，物理學(xué)家 Philip W. Anderson 提出了一種新物質(zhì)狀態(tài)的理論，該狀態(tài)一直是該領(lǐng)域的一個(gè)主要焦點(diǎn)，尤其是在量子計(jì)算機(jī)的競(jìng)賽中。

這種奇異的物質(zhì)狀態(tài)被稱為量子自旋液體，與名稱相反，與水等日常液體無關(guān)。相反，這完全是關(guān)于永不凍結(jié)的磁鐵以及它們中的電子旋轉(zhuǎn)方式。在普通磁鐵中，當(dāng)溫度下降到一定溫度以下時(shí)，電子就會(huì)穩(wěn)定下來，形成具有磁性的固體物質(zhì)。在量子自旋液體中，電子在冷卻時(shí)不穩(wěn)定，不會(huì)形成固體，并且在有史以來最糾纏的量子態(tài)之一中不斷變化和波動(dòng)(就像液體一樣)。

量子自旋液體的不同特性具有廣闊的應(yīng)用前景，可用于推進(jìn)高溫超導(dǎo)體和量子計(jì)算機(jī)等量子技術(shù)。但是關(guān)于這種物質(zhì)狀態(tài)的問題一直是它的存在。沒有人見過它——至少，近 50 年來一直如此。

今天，由哈佛領(lǐng)導(dǎo)的一組物理學(xué)家表示，他們終于通過實(shí)驗(yàn)記錄了這種備受追捧的奇異物質(zhì)狀態(tài)。這項(xiàng)工作在《科學(xué)》雜志的一項(xiàng)新研究中得到了描述，標(biāo)志著朝著能夠按需產(chǎn)生這種難以捉摸的狀態(tài)并對(duì)其神秘性質(zhì)獲得新的理解邁出了一大步。

“這是該領(lǐng)域一個(gè)非常特殊的時(shí)刻，”哈佛量子計(jì)劃(HQI)聯(lián)合主任、該研究的資深作者之一、喬治·瓦斯默·萊弗里特物理學(xué)教授米哈伊爾·盧金說。“你真的可以在這種奇異的狀態(tài)下觸摸、戳和戳，并操縱它來了解它的特性。……這是一種人們從未觀察到的新物質(zhì)狀態(tài)。”

從這項(xiàng)科學(xué)研究中學(xué)到的東西有朝一日可以為設(shè)計(jì)更好的量子材料和技術(shù)提供進(jìn)步。更具體地說，量子自旋液體的奇異特性可能是創(chuàng)造更強(qiáng)大的量子位(稱為拓?fù)淞孔游?的關(guān)鍵，這些量子位有望抵抗噪聲和外部干擾。

“這是量子計(jì)算的一個(gè)夢(mèng)想，”哈佛-馬克斯普朗克量子光學(xué)中心的博士后研究員、該研究的主要作者Giulia Semeghini說。“學(xué)習(xí)如何創(chuàng)建和使用這種拓?fù)淞孔游粚⒋沓鴮?shí)現(xiàn)可靠的量子計(jì)算機(jī)邁出的重要一步。”

研究團(tuán)隊(duì)開始使用實(shí)驗(yàn)室最初于 2017 年開發(fā)的可編程量子模擬器來觀察這種類似液體的物質(zhì)狀態(tài)。模擬器是一種特殊的量子計(jì)算機(jī)，允許研究人員創(chuàng)建可編程的形狀，如正方形、蜂窩或三角形晶格來設(shè)計(jì)超冷原子之間的不同相互作用和糾纏。它用于研究許多復(fù)雜的量子過程。

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