1973 年，物理學家 Philip W. Anderson 提出了一種新物質(zhì)狀態(tài)的理論，該狀態(tài)一直是該領(lǐng)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(zhì)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(guān)。相反，這完全是關(guān)于永不凍結(jié)的磁鐵以及它們中的電子旋轉(zhuǎn)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(zhì)。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(shù)。但是關(guān)于這種物質(zhì)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(lǐng)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(zhì)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(chǎn)生這種難以捉摸的狀態(tài)并對其神秘性質(zhì)獲得新的理解邁出了一大步。
“這是該領(lǐng)域一個非常特殊的時刻，”哈佛量子計劃(HQI)聯(lián)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(zhì)狀態(tài)。”
從這項科學研究中學到的東西有朝一日可以為設(shè)計更好的量子材料和技術(shù)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(guān)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(xiàn)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(zhì)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(shè)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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