科学家记录了量子自旋液体的存在，这是一种前所未见的物质状态

　　1973 年，物理学家 Philip W. Anderson 提出了一种新物质状态的理论，该状态一直是该领域的一个主要焦点，尤其是在量子计算机的竞赛中。
　　这种奇异的物质状态被称为量子自旋液体，与名称相反，与水等日常液体无关。相反，这完全是关于永不冻结的磁铁以及它们中的电子旋转方式。在普通磁铁中，当温度下降到一定温度以下时，电子就会稳定下来，形成具有磁性的固体物质。在量子自旋液体中，电子在冷却时不稳定，不会形成固体，并且在有史以来最纠缠的量子态之一中不断变化和波动（就像液体一样）。
　　量子自旋液体的不同特性具有广阔的应用前景，可用于推进高温超导体和量子计算机等量子技术。但是关于这种物质状态的问题一直是它的存在。没有人见过它——至少，近 50 年来一直如此。
　　今天，由哈佛领导的一组物理学家表示，他们终于通过实验记录了这种备受追捧的奇异物质状态。这项工作在《科学》杂志上的一项新研究中有所描述，标志着朝着能够按需产生这种难以捉摸的状态并对其神秘性质获得新的理解迈出了一大步。
　　＂这是该领域一个非常特殊的时刻，＂哈佛量子计划 (HQI) 联合主任、该研究的资深作者之一、乔治·瓦斯默·莱弗里特物理学教授米哈伊尔·卢金说。＂你真的可以触摸、戳和戳这种奇异的状态，并操纵它来了解它的特性。......这是一种人们从未能够观察到的新物质状态。＂
　　从这项科学研究中学到的东西有朝一日可以为设计更好的量子材料和技术提供进步。更具体地说，来自量子自旋液体的奇异特性可能是创造更强大的量子位（称为拓扑量子位）的关键，这些量子位有望抵抗噪声和外部干扰。
　　＂这是量子计算的一个梦想，＂哈佛-马克斯普朗克量子光学中心的博士后研究员、该研究的主要作者 Giulia Semeghini 说。＂学习如何创建和使用这种拓扑量子位将代表朝着实现可靠的量子计算机迈出的重要一步。＂
　　研究小组开始使用实验室最初于 2017 年开发的可编程量子模拟器来观察这种类似液体的物质状态。模拟器是一种特殊的量子计算机，允许研究人员创建可编程的形状，如正方形、蜂窝状或三角形晶格来设计超冷原子之间的不同相互作用和纠缠。它用于研究许多复杂的量子过程。
　　使用量子模拟器的想法是能够重现在凝聚态系统中发现的相同微观物理学，特别是在系统可编程性允许的自由度下。
　　＂你可以将原子尽可能地分开，你可以改变激光的频率，你真的可以以一种在早期研究这些事物的材料中无法做到的方式改变自然参数，＂该研究的合著者 Subir Sachdev 说，他是 Herchel Smith 物理学教授，现任高级研究所的 Maureen 和 John Hendricks 杰出客座教授。＂在这里，你可以查看每个原子，看看它在做什么。＂
　　在传统磁铁中，电子自旋以某种规则模式向上或向下。例如，在日常冰箱磁铁中，所有自旋都指向同一个方向。发生这种情况是因为旋转通常以棋盘格模式工作并且可以配对，以便它们可以指向相同的方向或交替的方向，保持一定的顺序。
　　量子自旋液体不显示任何磁性顺序。发生这种情况是因为，本质上，添加了第三次旋转，将复选框图案变为三角形图案。虽然一对总是可以在一个方向或另一个方向上稳定，但在三角形中，第三个自旋将始终是奇数电子。这导致电子自旋无法在单一方向上稳定的＂受挫＂磁铁。
　　＂从本质上讲，它们有一定的可能性同时处于不同的配置中，＂Semeghini 说。＂这是量子叠加的基础。＂
　　哈佛科学家使用模拟器创建了他们自己的受挫晶格图案，将原子放置在那里进行相互作用和纠缠。然后，研究人员能够测量和分析在整个结构纠缠在一起后连接原子的弦。这些被称为拓扑弦的弦的存在和分析表明，量子相关正在发生，物质的量子自旋液态已经出现。
　　这项工作建立在 Sachdev 和他的研究生 Rhine Samajdar 早期的理论预测以及哈佛大学物理学教授 Ashvin Vishwanah 和 HQI 博士后研究员 Ruben Verresen 的具体建议之上。该实验是与马克斯·普朗克-哈佛量子光学研究中心联合主任兼乔治·瓦斯默·莱维特物理学教授 Markus Griener 的实验室以及来自因斯布鲁克大学和波士顿 QuEra Computing 的科学家合作完成的。
　　＂理论和实验之间的来回切换非常刺激，＂Verresen 说。＂这是一个美丽的时刻，原子快照被拍摄，预期的二聚体配置正盯着我们的脸。可以肯定地说，我们没想到我们的提议会在几个月内实现。＂
　　在确认量子自旋液体的存在后，研究人员转向了这种物质状态的可能应用，以创建强大的量子位。他们进行了一项概念验证测试，表明有朝一日可以通过使用模拟器将量子自旋液体放入特殊的几何阵列中来创建这些量子位。
　　研究人员计划使用可编程量子模拟器继续研究量子自旋液体以及如何使用它们来创建更强大的量子位。毕竟，量子位是运行量子计算机的基本构建块，也是其巨大处理能力的来源。
　　＂我们展示了如何创建这个拓扑量子位的第一步，但我们仍然需要演示如何对其进行实际编码和操作，＂Semeghini 说。＂现在还有很多东西需要探索。＂
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