哈佛发现神秘的新物质状态，可用于量子计算

Mikhail Lukin 教授（左）和首席研究员 Giulia Semeghini 使用可编程量子模拟器研究量子自旋液体，这是一种长期以来备受追捧的奇异物质状态。（图片来源：Kris Snibbe/哈佛摄影师）

1973 年，诺贝尔奖得主、凝聚态理论物理学家菲利普•安德森（Philip W. Anderson） 提出了一种新物质状态的理论：在量子体系中，电子可被视为由两个粒子组成，一个带有电子的负电荷，另一个粒子会自旋，这种包含自旋能力的粒子为自旋子。这个理论就是量子自旋液体的雏形。该概念一经提出，便吸引了众多物理学家的目光。

物理学家菲利普•安德森 (1923-2020)（图片来源：网络）

与水等普通液体不同，量子自旋液体（quantum spin liquid，QSL）指的是一种神秘的新型物质形态，确切的说，是量子磁性系统的一种特殊的量子无序态。

为了更好地解释量子自旋液体的原理，可以先了解一下普通的磁性物质工作原理。在普通的磁铁中，当温度降到足够低时，电子就会稳定下来，其自旋会类似于一个个小条形磁铁进行自我排列，形成具有宏观磁性的固体物质。然而，在量子自旋液体中，即使温度降到绝对零度附近，这些电子也不会稳定下来形成固体，而是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。

正是由于这种特性，量子自旋液体在量子计算和量子信息存储等前沿领域具有广阔的应用前景，是实现量子计算实用化的途径之一。同时，量子自旋液体材料在高温超导、磁传感器和磁制冷等技术方面也具有重要的应用价值。

受研究手段所限，量子自旋液体从理论研究到实验研究进展一直比较缓慢。虽然物理学家们已经进行了大量的研究来确定它们是什么，如何表征它们，但是关于这种物质状态的理论研究本来就十分棘手，更别提通过实验去验证它的存在，去直接观察并纪录这种神秘的奇异物质状态了。因此近50年来，人们都没有见识过量子自旋液体的“庐山真面目”！

2021年12月2日，来自美国哈佛大学和麻省理工学院的联合研究团队在《Science》发文表示，他们终于通过实验记录了这种备受追捧的量子自旋液体。这项工作标志着朝着能够按需产生这种难以捉摸的状态，并深入理解它的神秘性质迈出了一大步。哈佛-马克斯普朗克量子光学中心的博士后研究员Giulia Semeghini为论文的第一作者，哈佛大学物理系A. Vishwanath教授、M. Greiner教授、M. D. Lukin教授和MIT物理系V. Vuletić教授为论文的共同通讯作者。

上述研究成果以“Probing topological spin liquids on a programmable quantum simulator”为题，发表在《Science》上。（图片来源：网络）

“这是该领域一个非常特殊的时刻，”哈佛量子计划联合主任、该研究的资深作者之一、乔治·瓦斯默·莱弗里特物理学教授Mikhail Lukin说道。“这是一种人们从未观察到的新物质状态。你真的可以触碰到这种奇异的状态下的物质，还可以操纵它，了解它的特性。”

研究人员开始使用实验室于 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、蜂窝或三角形晶格，以设计不同的超冷原子之间的相互作用和纠缠。这可以用于研究许多复杂的量子过程。

使用量子模拟器的目的，是重现在凝聚态系统中发现的相同微观物理学机制，特别是在系统可编程性允许的自由度下。“你可以把原子移到任意远的距离；你可以改变激光的频率；这些操作在早期研究的材料中无法实现。”该研究的共同作者，物理学教授Subir Sachdev 说：“在这里你可以查看每个原子，观察它的行为。”

在传统磁性物质中，电子自旋以某种规则模式向上或向下。例如在常见的磁铁块里面，几乎所有的自旋都指向同一个方向。这是因为磁性原子通常以棋盘格模式相互配对影响，形成群组，以便它们可以指向相同的方向或交替的方向，并保持一定的顺序。与之不同的是，量子自旋液体不显示任何磁性顺序。这是因为量子自旋液体中添加了第三个方向的自旋，将棋盘格图案变成了三角形图案。

（图片来源：网络）

成对的自旋总是可以在一个方向或另一个方向上保持稳定状态，但在三角形中，第三个自旋将始终是奇数电子。这就形成了一个衰减的磁体，电子自旋无法在单一方向上稳定。“本质上，它们在同一时间以一定的概率处于不同的构型中。”Semeghini说: "这是量子叠加的基础。"

Rydberg原子阵列中的二聚体模型。(A) 排列在 Kagome 晶格链上的 219 个原子的荧光图像。原子的最终状态是通过基态原子的荧光成像确定。Rydberg原子在 Kagome 晶格的键上用红色二聚体表示。（图片来源：网络）

哈佛科学家使用模拟器创建了他们自己的衰减晶格图案，将原子放置在那里进行相互作用和纠缠。然后，他们对在整个结构中纠缠在一起后连接原子的弦进行了测量和分析。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。

“为原子拍摄快照真是一个美好的时刻，二聚体结构如预期中一样正对着我们展现，”Verresen 说。“没想到我们的提议会在几个月内就实现了。”

通过非对角字符串算子探测二聚体状态之间的量子相关性（图片来源：网络）

这项工作建立在 Sachdev 教授和他的研究生 Rhine Samajdar 早期的理论预测之上，哈佛大学物理学教授 Ashvin Vishwanath 与 HQI博士后研究员 Ruben Verresen 提出了具体建议。具体实验是马克斯·普朗克-哈佛量子光学研究中心联合主任兼物理学教授 Markus Griener 的实验室、因斯布鲁克大学、波士顿 QuEra Computing 的科学家合作完成的。

在确认量子自旋液体的存在后，研究重点转向验证将这种物质状态应用于量子计算的可能性。他们进行了一项概念验证测试，证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，来创建这些量子比特。量子是运行量子计算机的基本元素，也是其巨大处理能力的来源。

量子自旋液体的奇异特性可能是创造更强大的量子比特（称为拓扑量子比特）的关键，这些量子比特有望抵抗噪声和外界的干扰。

“（抵抗噪声和外界的干扰）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比特，代表朝着实现可靠的量子计算机迈出了坚实的一步。”

“我们展示了如何创建这种拓扑量子比特的第一步，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。”

这项工作得到了超冷原子中心、美国能源部量子系统加速器、海军研究办公室、陆军研究办公室 MURI、DARPA ONISQ 计划、QuEra 公司和亚马逊网络服务的支持。

编译：王珩

编辑：慕一