研究人員記錄了量子自旋液體的存在

1973 年，物理學家 Philip W. Anderson 提出了一種新物質狀態(tài)的理論，該狀態(tài)一直是該領域的一個主要焦點，尤其是在量子計算機的競賽中。

這種奇異的物質狀態(tài)被稱為量子自旋液體，與名稱相反，與水等日常液體無關。相反，這完全是關于永不凍結的磁鐵以及它們中的電子旋轉方式。在普通磁鐵中，當溫度下降到一定溫度以下時，電子就會穩(wěn)定下來，形成具有磁性的固體物質。在量子自旋液體中，電子在冷卻時不穩(wěn)定，不會形成固體，并且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)。

量子自旋液體的不同特性具有廣闊的應用前景，可用于推進高溫超導體和量子計算機等量子技術。但是關于這種物質狀態(tài)的問題一直是它的存在。沒有人見過它——至少，近 50 年來一直如此。

今天，由哈佛領導的一組物理學家表示，他們終于通過實驗記錄了這種備受追捧的奇異物質狀態(tài)。這項工作在《科學》雜志的一項新研究中得到了描述，標志著朝著能夠按需產生這種難以捉摸的狀態(tài)并對其神秘性質獲得新的理解邁出了一大步。

“這是該領域一個非常特殊的時刻，”哈佛量子計劃(HQI)聯合主任、該研究的資深作者之一、喬治·瓦斯默·萊弗里特物理學教授米哈伊爾·盧金說。“你真的可以在這種奇異的狀態(tài)下觸摸、戳和戳，并操縱它來了解它的特性。……這是一種人們從未觀察到的新物質狀態(tài)。”

從這項科學研究中學到的東西有朝一日可以為設計更好的量子材料和技術提供進步。更具體地說，量子自旋液體的奇異特性可能是創(chuàng)造更強大的量子位(稱為拓撲量子位)的關鍵，這些量子位有望抵抗噪聲和外部干擾。

“這是量子計算的一個夢想，”哈佛-馬克斯普朗克量子光學中心的博士后研究員、該研究的主要作者Giulia Semeghini說。“學習如何創(chuàng)建和使用這種拓撲量子位將代表朝著實現可靠的量子計算機邁出的重要一步。”

研究團隊開始使用實驗室最初于 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狀態(tài)。模擬器是一種特殊的量子計算機，允許研究人員創(chuàng)建可編程的形狀，如正方形、蜂窩或三角形晶格來設計超冷原子之間的不同相互作用和糾纏。它用于研究許多復雜的量子過程。

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