1973 年，諾貝爾獎得主、凝聚態(tài)理論物理學(xué)家菲利普?安德森（Philip W. Anderson） 提出了一種新物質(zhì)狀態(tài)的理論：在量子體系中，電子可被視為由兩個粒子組成，一個帶有電子的負電荷，另一個粒子會自旋，這種包含自旋能力的粒子為自旋子。這個理論就是量子自旋液體的雛形。該概念一經(jīng)提出，便吸引了眾多物理學(xué)家的目光。

與水等普通液體不同，量子自旋液體（quantum spin liquid，QSL）指的是一種神秘的新型物質(zhì)形態(tài)，確切的說，是量子磁性系統(tǒng)的一種特殊的量子無序態(tài)。

為了更好地解釋量子自旋液體的原理，可以先了解一下普通的磁性物質(zhì)工作原理。在普通的磁鐵中，當(dāng)溫度降到足夠低時，電子就會穩(wěn)定下來，其自旋會類似于一個個小條形磁鐵進行自我排列，形成具有宏觀磁性的固體物質(zhì)。然而，在量子自旋液體中，即使溫度降到絕對零度附近，這些電子也不會穩(wěn)定下來形成固體，而是在有史以來最糾纏的量子態(tài)之一中不斷變化和波動，就像液體一樣。

正是由于這種特性，量子自旋液體在量子計算和量子信息存儲等前沿領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，是實現(xiàn)量子計算實用化的途徑之一。同時，量子自旋液體材料在高溫超導(dǎo)、磁傳感器和磁制冷等技術(shù)方面也具有重要的應(yīng)用價值。

受研究手段所限，量子自旋液體從理論研究到實驗研究進展一直比較緩慢。雖然物理學(xué)家們已經(jīng)進行了大量的研究來確定它們是什么，如何表征它們，但是關(guān)于這種物質(zhì)狀態(tài)的理論研究本來就十分棘手，更別提通過實驗去驗證它的存在，去直接觀察并紀錄這種神秘的奇異物質(zhì)狀態(tài)了。因此近50年來，人們都沒有見識過量子自旋液體的“廬山真面目”！

2021年12月2日，來自美國哈佛大學(xué)和麻省理工學(xué)院的聯(lián)合研究團隊在《Science》發(fā)文表示，他們終于通過實驗記錄了這種備受追捧的量子自旋液體。這項工作標志著朝著能夠按需產(chǎn)生這種難以捉摸的狀態(tài)，并深入理解它的神秘性質(zhì)邁出了一大步。哈佛-馬克斯普朗克量子光學(xué)中心的博士后研究員Giulia Semeghini為論文的第一作者，哈佛大學(xué)物理系A(chǔ). Vishwanath教授、M. Greiner教授、M. D. Lukin教授和MIT物理系V. Vuleti?教授為論文的共同通訊作者。

“這是該領(lǐng)域一個非常特殊的時刻，”哈佛量子計劃聯(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Mikhail Lukin說道?！斑@是一種人們從未觀察到的新物質(zhì)狀態(tài)。你真的可以觸碰到這種奇異的狀態(tài)下的物質(zhì)，還可以操縱它，了解它的特性。”

研究人員開始使用實驗室于 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)。模擬器是一種量子計算機，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，以設(shè)計不同的超冷原子之間的相互作用和糾纏。這可以用于研究許多復(fù)雜的量子過程。

使用量子模擬器的目的，是重現(xiàn)在凝聚態(tài)系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)的相同微觀物理學(xué)機制，特別是在系統(tǒng)可編程性允許的自由度下。“你可以把原子移到任意遠的距離；你可以改變激光的頻率；這些操作在早期研究的材料中無法實現(xiàn)?！痹撗芯康墓餐髡?，物理學(xué)教授Subir Sachdev 說：“在這里你可以查看每個原子，觀察它的行為?！?/strong>

在傳統(tǒng)磁性物質(zhì)中，電子自旋以某種規(guī)則模式向上或向下。例如在常見的磁鐵塊里面，幾乎所有的自旋都指向同一個方向。這是因為磁性原子通常以棋盤格模式相互配對影響，形成群組，以便它們可以指向相同的方向或交替的方向，并保持一定的順序。與之不同的是，量子自旋液體不顯示任何磁性順序。這是因為量子自旋液體中添加了第三個方向的自旋，將棋盤格圖案變成了三角形圖案。

成對的自旋總是可以在一個方向或另一個方向上保持穩(wěn)定狀態(tài)，但在三角形中，第三個自旋將始終是奇數(shù)電子。這就形成了一個衰減的磁體，電子自旋無法在單一方向上穩(wěn)定。“本質(zhì)上，它們在同一時間以一定的概率處于不同的構(gòu)型中?！盨emeghini說: "這是量子疊加的基礎(chǔ)。"

哈佛科學(xué)家使用模擬器創(chuàng)建了他們自己的衰減晶格圖案，將原子放置在那里進行相互作用和糾纏。然后，他們對在整個結(jié)構(gòu)中糾纏在一起后連接原子的弦進行了測量和分析。這些被稱為“拓撲弦”的弦的存在和分析表明，量子相關(guān)正在發(fā)生，物質(zhì)的量子自旋液態(tài)已經(jīng)出現(xiàn)。

“為原子拍攝快照真是一個美好的時刻，二聚體結(jié)構(gòu)如預(yù)期中一樣正對著我們展現(xiàn)，”Verresen 說?！皼]想到我們的提議會在幾個月內(nèi)就實現(xiàn)了。”

這項工作建立在 Sachdev 教授和他的研究生 Rhine Samajdar 早期的理論預(yù)測之上，哈佛大學(xué)物理學(xué)教授 Ashvin Vishwanath 與 HQI博士后研究員 Ruben Verresen 提出了具體建議。具體實驗是馬克斯·普朗克-哈佛量子光學(xué)研究中心聯(lián)合主任兼物理學(xué)教授 Markus Griener 的實驗室、因斯布魯克大學(xué)、波士頓 QuEra Computing 的科學(xué)家合作完成的。

在確認量子自旋液體的存在后，研究重點轉(zhuǎn)向驗證將這種物質(zhì)狀態(tài)應(yīng)用于量子計算的可能性。他們進行了一項概念驗證測試，證明有朝一日可以通過使用模擬器，將量子自旋液體放入特殊的幾何陣列中，來創(chuàng)建這些量子比特。量子是運行量子計算機的基本元素，也是其巨大處理能力的來源。

量子自旋液體的奇異特性可能是創(chuàng)造更強大的量子比特（稱為拓撲量子比特）的關(guān)鍵，這些量子比特有望抵抗噪聲和外界的干擾。

“（抵抗噪聲和外界的干擾）是量子計算的一個夢想，”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?！?strong>學(xué)習(xí)如何創(chuàng)建和使用這種拓撲量子比特，代表朝著實現(xiàn)可靠的量子計算機邁出了堅實的一步。”

“我們展示了如何創(chuàng)建這種拓撲量子比特的第一步，但我們?nèi)匀恍枰菔救绾螌ζ溥M行實際編碼和操作，”Semeghini 說?！艾F(xiàn)在還有很多東西需要探索?！?/p>

這項工作得到了超冷原子中心、美國能源部量子系統(tǒng)加速器、海軍研究辦公室、陸軍研究辦公室 MURI、DARPA ONISQ 計劃、QuEra 公司和亞馬遜網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的支持。

編譯：王珩

編輯：慕一