物理學家從磁異常粒子的“量子湯”中創造了新的物質狀态

新發現的物質的相可能被用于設計更好的量子計算機。

科學家首次在實驗室發現了前所未見的物質狀态，很長時間裡該狀态都是科學家的設想。

通過發射铷原子晶格在超低溫下的激光，科學家們将原子“捅”進一碗混亂的“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，它們的狀态也會穿越整個材料連接起來，這個過程叫做量子糾纏。這意味着其中一個原子的任何改變都會瞬間引起物質中另外一個原子的改變；這一突破可能為研發更好的量子計算機鋪平道路。2021年12月3日《科學》雜志中的一篇論文介紹了這一發現，研究員在論文中如是說。

“這是該領域一個非常特别的時刻，”論文的第一通訊作者、哈佛大學物理學教授、哈佛量子計劃聯合負責人Mikhail Lukin在一次報告中這樣說，“你真的可以觸摸、戳、捅這個奇異的狀态，還能操縱它以理解它的特性。這是一個全新的物質狀态，人們從未觀測到。”

1973年，這一概念第一次被物理學家Philip Anderson理論化：當物質被“哄騙”着不遵循掌管它們磁行為的常規時，量子自旋液體就出現了。

電子有一個特性，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（比如冰箱裡的磁鐵），相鄰電子的自旋方向會自動确定，直到它們的自旋方向都變得相同，如此便形成了磁場。在非磁性物質中，兩個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的固定狀态。

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三角形的晶格内部，這樣一來，任何一個電子都有兩個近鄰。兩個電子能互相校準自旋，但第三個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态。

研究者們把這種混亂的狀态稱為“擾動”磁行為。當自旋狀态不确定時，電子和原子的量子态就會詭異地結合起來，形成量子态疊加。不斷改變的自旋現在呈現出既是上自旋又是下自旋的疊加态，自旋方向的持續轉換也會導緻物質中所有的原子糾纏在一起，陷入一種複雜的量子态。

研究者無法直接研究理想的量子自旋液體，所以他們在其他實驗系統中制造了一種近乎完美的複制品。他們将219個铷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℃），這可以被應用于精密設計和激發各種量子過程。

有時，原子中的一個電子處在比其他電子更高的能級上，使原子處于裡德伯态。與自旋狀态相似的是，詭異的量子力學原理規定：如果一個電子的相鄰電子處于裡德伯态，那麼它就不會同處于裡德伯态。研究者們對陣列中的特定原子發射激光，從而模拟出傳統量子自旋液體的“三足鼎立”。

随着“量子裡德伯湯”的産生，研究者們對陣列做了一次測試，證實了整個材料中的原子已經陷入糾纏态——它們制造出了量子自旋液體。

然後，科學家們将注意力轉向對其潛在應用的概念測試的證明：設計一台量子計算機。一般的計算機使用“比特”，即用0和1的形式進行全部計算；而量子計算機使用“量子比特”，它能立刻産生多種同時存在的狀态。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。

但量子自旋液體内的物質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，因為它不是将量子化信息僅編碼為一個量子比特，而是将信息容納在“形狀”中，也就是所謂的“拓撲結構”，糾纏的自旋态可以通過整個物質創造這樣一種形态，構建“拓撲量子比特”。通過把信息編碼為由多個部分而非一個部分組成的“形狀”，拓撲量子比特在傳遞信息過程中丢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撲量子比特的概念證明——隻有數十個原子，但是他們希望能在未來創造出更大、更實用的拓撲量子比特。

“學習如何創造并使用拓撲量子比特将成為裡程碑式的跨越，是使可靠的量子計算機成為現實的關鍵一環，”身為合作作者的哈佛大學量子物理學家Giulia Semeghini在一次報告中這樣說道，“我們展示如何創造拓撲量子比特的最初一步，但我們仍然需要為你演示如何為之編碼以及如何操縱它。還有很多很多等待着我們去探索。”

BY: Ben Turner

FY:北鬥星zj

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