物理學(xué)家從磁異常粒子的“量子湯”中創(chuàng)造了新的物質(zhì)狀態(tài)

新發(fā)現(xiàn)的物質(zhì)的相可能被用于設(shè)計(jì)更好的量子計(jì)算機(jī)。

科學(xué)家首次在實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn)了前所未見的物質(zhì)狀態(tài)，很長時(shí)間里該狀態(tài)都是科學(xué)家的設(shè)想。

通過發(fā)射銣原子晶格在超低溫下的激光，科學(xué)家們將原子“捅”進(jìn)一碗混亂的“量子湯”中。

這碗“量子湯”被稱為量子自旋液體。

這碗量子湯中的原子很快就被連接到一起，它們的狀態(tài)也會穿越整個(gè)材料連接起來，這個(gè)過程叫做量子糾纏。這意味著其中一個(gè)原子的任何改變都會瞬間引起物質(zhì)中另外一個(gè)原子的改變；這一突破可能為研發(fā)更好的量子計(jì)算機(jī)鋪平道路。2021年12月3日《科學(xué)》雜志中的一篇論文介紹了這一發(fā)現(xiàn)，研究員在論文中如是說。

“這是該領(lǐng)域一個(gè)非常特別的時(shí)刻，”論文的第一通訊作者、哈佛大學(xué)物理學(xué)教授、哈佛量子計(jì)劃聯(lián)合負(fù)責(zé)人Mikhail Lukin在一次報(bào)告中這樣說，“你真的可以觸摸、戳、捅這個(gè)奇異的狀態(tài)，還能操縱它以理解它的特性。這是一個(gè)全新的物質(zhì)狀態(tài)，人們從未觀測到?！?/p>

1973年，這一概念第一次被物理學(xué)家Philip Anderson理論化：當(dāng)物質(zhì)被“哄騙”著不遵循掌管它們磁行為的常規(guī)時(shí)，量子自旋液體就出現(xiàn)了。

電子有一個(gè)特性，叫做自旋。自旋是一種量子角動量，分為上自旋和下自旋。在一般的磁體中（比如冰箱里的磁鐵），相鄰電子的自旋方向會自動確定，直到它們的自旋方向都變得相同，如此便形成了磁場。在非磁性物質(zhì)中，兩個(gè)相鄰電子的自旋方向可能相反。但不論是哪種情況，小磁極都能形成一種常規(guī)的固定狀態(tài)。

然而在量子自旋液體中，電子是不會做選擇的。它們不會“排排坐”，而是會被限制在一個(gè)三角形的晶格內(nèi)部，這樣一來，任何一個(gè)電子都有兩個(gè)近鄰。兩個(gè)電子能互相校準(zhǔn)自旋，但第三個(gè)電子總會因配不成對而“出局”，于是它會破壞兩電子間脆弱的平衡，使本就“躁動”的電子陷入更加混亂的狀態(tài)。

研究者們把這種混亂的狀態(tài)稱為“擾動”磁行為。當(dāng)自旋狀態(tài)不確定時(shí)，電子和原子的量子態(tài)就會詭異地結(jié)合起來，形成量子態(tài)疊加。不斷改變的自旋現(xiàn)在呈現(xiàn)出既是上自旋又是下自旋的疊加態(tài)，自旋方向的持續(xù)轉(zhuǎn)換也會導(dǎo)致物質(zhì)中所有的原子糾纏在一起，陷入一種復(fù)雜的量子態(tài)。

研究者無法直接研究理想的量子自旋液體，所以他們在其他實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中制造了一種近乎完美的復(fù)制品。他們將219個(gè)銣原子束縛在一起并冷卻，溫度降至大約10μK（微開爾文）（接近絕對零度：273.15℃），這可以被應(yīng)用于精密設(shè)計(jì)和激發(fā)各種量子過程。

有時(shí)，原子中的一個(gè)電子處在比其他電子更高的能級上，使原子處于里德伯態(tài)。與自旋狀態(tài)相似的是，詭異的量子力學(xué)原理規(guī)定：如果一個(gè)電子的相鄰電子處于里德伯態(tài)，那么它就不會同處于里德伯態(tài)。研究者們對陣列中的特定原子發(fā)射激光，從而模擬出傳統(tǒng)量子自旋液體的“三足鼎立”。

隨著“量子里德伯湯”的產(chǎn)生，研究者們對陣列做了一次測試，證實(shí)了整個(gè)材料中的原子已經(jīng)陷入糾纏態(tài)——它們制造出了量子自旋液體。

然后，科學(xué)家們將注意力轉(zhuǎn)向?qū)ζ錆撛趹?yīng)用的概念測試的證明：設(shè)計(jì)一臺量子計(jì)算機(jī)。一般的計(jì)算機(jī)使用“比特”，即用0和1的形式進(jìn)行全部計(jì)算；而量子計(jì)算機(jī)使用“量子比特”，它能立刻產(chǎn)生多種同時(shí)存在的狀態(tài)。然而，量子比特是非常脆弱的，任何同外界的交互都有可能輕易破壞信息的傳遞。

但量子自旋液體內(nèi)的物質(zhì)間能相互糾纏這一特性使得更多的信息被牢固地儲存起來，因?yàn)樗皇菍⒘孔踊畔H編碼為一個(gè)量子比特，而是將信息容納在“形狀”中，也就是所謂的“拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)”，糾纏的自旋態(tài)可以通過整個(gè)物質(zhì)創(chuàng)造這樣一種形態(tài)，構(gòu)建“拓?fù)淞孔颖忍亍?。通過把信息編碼為由多個(gè)部分而非一個(gè)部分組成的“形狀”，拓?fù)淞孔颖忍卦趥鬟f信息過程中丟失全部信息的可能性就大大降低了。

研究人員僅完成了對微小拓?fù)淞孔颖忍氐母拍钭C明——只有數(shù)十個(gè)原子，但是他們希望能在未來創(chuàng)造出更大、更實(shí)用的拓?fù)淞孔颖忍亍?/p>

“學(xué)習(xí)如何創(chuàng)造并使用拓?fù)淞孔颖忍貙⒊蔀槔锍瘫降目缭剑鞘箍煽康牧孔佑?jì)算機(jī)成為現(xiàn)實(shí)的關(guān)鍵一環(huán)，”身為合作作者的哈佛大學(xué)量子物理學(xué)家Giulia Semeghini在一次報(bào)告中這樣說道，“我們展示如何創(chuàng)造拓?fù)淞孔颖忍氐淖畛跻徊?，但我們?nèi)匀恍枰獮槟阊菔救绾螢橹幋a以及如何操縱它。還有很多很多等待著我們?nèi)ヌ剿鳌！?/p>

BY: Ben Turner

FY:北斗星zj

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