最清晰的量子力学（奇特的量子自旋液体）

物理学家从磁异常粒子的“量子汤”中创造了新的物质状态

新发现的物质的相可能被用于设计更好的量子计算机。

科学家首次在实验室发现了前所未见的物质状态，很长时间里该状态都是科学家的设想。

通过发射铷原子晶格在超低温下的激光，科学家们将原子“捅”进一碗混乱的“量子汤”中。

这碗“量子汤”被称为量子自旋液体。

这碗量子汤中的原子很快就被连接到一起，它们的状态也会穿越整个材料连接起来，这个过程叫做量子纠缠。这意味着其中一个原子的任何改变都会瞬间引起物质中另外一个原子的改变；这一突破可能为研发更好的量子计算机铺平道路。2021年12月3日《科学》杂志中的一篇论文介绍了这一发现，研究员在论文中如是说。

“这是该领域一个非常特别的时刻，”论文的第一通讯作者、哈佛大学物理学教授、哈佛量子计划联合负责人Mikhail Lukin在一次报告中这样说，“你真的可以触摸、戳、捅这个奇异的状态，还能操纵它以理解它的特性。这是一个全新的物质状态，人们从未观测到。”

1973年，这一概念第一次被物理学家Philip Anderson理论化：当物质被“哄骗”着不遵循掌管它们磁行为的常规时，量子自旋液体就出现了。

电子有一个特性，叫做自旋。自旋是一种量子角动量，分为上自旋和下自旋。在一般的磁体中（比如冰箱里的磁铁），相邻电子的自旋方向会自动确定，直到它们的自旋方向都变得相同，如此便形成了磁场。在非磁性物质中，两个相邻电子的自旋方向可能相反。但不论是哪种情况，小磁极都能形成一种常规的固定状态。

然而在量子自旋液体中，电子是不会做选择的。它们不会“排排坐”，而是会被限制在一个三角形的晶格内部，这样一来，任何一个电子都有两个近邻。两个电子能互相校准自旋，但第三个电子总会因配不成对而“出局”，于是它会破坏两电子间脆弱的平衡，使本就“躁动”的电子陷入更加混乱的状态。

研究者们把这种混乱的状态称为“扰动”磁行为。当自旋状态不确定时，电子和原子的量子态就会诡异地结合起来，形成量子态叠加。不断改变的自旋现在呈现出既是上自旋又是下自旋的叠加态，自旋方向的持续转换也会导致物质中所有的原子纠缠在一起，陷入一种复杂的量子态。

研究者无法直接研究理想的量子自旋液体，所以他们在其他实验系统中制造了一种近乎完美的复制品。他们将219个铷原子束缚在一起并冷却，温度降至大约10μK（微开尔文）（接近绝对零度：273.15℃），这可以被应用于精密设计和激发各种量子过程。

有时，原子中的一个电子处在比其他电子更高的能级上，使原子处于里德伯态。与自旋状态相似的是，诡异的量子力学原理规定：如果一个电子的相邻电子处于里德伯态，那么它就不会同处于里德伯态。研究者们对阵列中的特定原子发射激光，从而模拟出传统量子自旋液体的“三足鼎立”。

随着“量子里德伯汤”的产生，研究者们对阵列做了一次测试，证实了整个材料中的原子已经陷入纠缠态——它们制造出了量子自旋液体。

然后，科学家们将注意力转向对其潜在应用的概念测试的证明：设计一台量子计算机。一般的计算机使用“比特”，即用0和1的形式进行全部计算；而量子计算机使用“量子比特”，它能立刻产生多种同时存在的状态。然而，量子比特是非常脆弱的，任何同外界的交互都有可能轻易破坏信息的传递。

但量子自旋液体内的物质间能相互纠缠这一特性使得更多的信息被牢固地储存起来，因为它不是将量子化信息仅编码为一个量子比特，而是将信息容纳在“形状”中，也就是所谓的“拓扑结构”，纠缠的自旋态可以通过整个物质创造这样一种形态，构建“拓扑量子比特”。通过把信息编码为由多个部分而非一个部分组成的“形状”，拓扑量子比特在传递信息过程中丢失全部信息的可能性就大大降低了。

研究人员仅完成了对微小拓扑量子比特的概念证明——只有数十个原子，但是他们希望能在未来创造出更大、更实用的拓扑量子比特。

“学习如何创造并使用拓扑量子比特将成为里程碑式的跨越，是使可靠的量子计算机成为现实的关键一环，”身为合作作者的哈佛大学量子物理学家Giulia Semeghini在一次报告中这样说道，“我们展示如何创造拓扑量子比特的最初一步，但我们仍然需要为你演示如何为之编码以及如何操纵它。还有很多很多等待着我们去探索。”

BY: Ben Turner

FY:北斗星zj

如有相关内容侵权，请在作品发布后联系作者删除

转载还请取得授权，并注意保持完整性和注明出处