物理学家首次发现一种长期假设的、前所未见的物质状态

物理学家首次在实验室中发现了一种长期假设的、前所未见的物质状态。

通过在铷原子的超冷晶格上发射激光，科学家们将这些原子推入了量子不确定性的混乱汤中，称为量子自旋液体。

这种量子磁汤里的原子很快连接起来，在一个称为量子纠缠的过程中，它们的状态在整个材料中连接起来。

这意味着对一个原子的任何改变都会立即引起材料中所有其他原子的改变；研究人员在12月3日发表在《科学》杂志上的一篇论文中描述了他们的发现，称这一突破可能为开发更好的量子计算机铺平道路。

“这是该领域一个非常特殊的时刻。

”资深作者、哈佛大学物理学教授、哈佛量子计划联合主任米哈伊尔卢金在一份声明中说。

“你真的可以触摸这种奇异的状态，并操纵它来了解它的特性。

这是一种人们从未观察过的新物质状态。

物理学家菲利普·安德森于 1973 年首次提出理论，当材料被诱使违反控制其磁行为的通常规则时，就会出现量子自旋液体。

电子具有称为自旋的特性，这是一种量子角动量，可以指向上方或下方。

在普通磁铁中（就像人们放在冰箱上的磁铁），相邻电子的自旋会自行定向，直到它们都指向同一方向，从而产生磁场。

在非磁性材料中，两个相邻电子的自旋可以翻转以相互对抗。

但无论哪种情况，微小的磁极都会形成规则的图案。

然而，在量子自旋液体中，电子拒绝选择。

电子不是彼此相邻，98迷科，而是排列成三角形晶格，因此任何给定的电子都有两个直接相邻的电子。

两个电子可以对齐它们的自旋，但第三个永远是奇怪的一个，破坏了微妙的平衡并产生了不断切换的混乱电子。

这种混乱的状态就是研究人员所说的“受挫的”磁铁。

由于自旋态不再知道指向哪个方向，因此电子及其原子被抛入一种奇怪的量子态组合，称为量子叠加。

不断波动的自旋现在随着自旋向上和自旋向下同时存在，并且不断的切换导致穿过材料的原子在复杂的量子态中相互纠缠。

研究人员无法直接研究理想的量子自旋液体，因此他们在另一个实验系统中创建了一个近乎完美的复制品。

他们将 219 个被困铷原子阵列冷却到大约 10 微开尔文（接近绝对零或零下-273.15 摄氏度）的温度，这些原子可用于精细设计和模拟各种量子过程。

有时，原子中的一个电子的能级比其他电子高得多，从而使原子处于所谓的里德堡态。

与自旋态非常相似，量子力学的诡异规则确保一个原子不想处于里德堡态，如果它的邻居是。

通过向阵列内的某些原子发射激光，研究人员模拟了传统量子自旋液体中的三向拔河。

在创造出量子里德堡汤之后，研究人员对阵列进行了测试，并确认其原子已经在整个材料中纠缠在一起。

他们创造了一种量子自旋液体。

然后，科学家们将注意力转向其潜在应用的概念验证测试：设计量子计算机的量子位或量子位。

普通计算机使用位，或 0 和 1 来构成所有计算的基础，而量子计算机使用量子位，量子位可以同时以多种状态存在。

然而，量子位非常脆弱。

与外界的任何互动都可以轻易破坏他们携带的信息。

但是，量子自旋液体材料范围内纠缠的特殊性质可以实现更强大的信息存储。

这是因为它不是将量子信息编码到一个量子位中，而是允许信息包含在整个材料本身的纠缠自旋态的形状或拓扑结构中；创建一个“拓扑量子比特”。

通过以由多个部分而不是单独一个部分形成的形状对信息进行编码，拓扑量子位不太可能丢失其所有信息。

研究人员的概念验证只创建了一个很小的拓扑量子位，只有几十个原子长，但在未来，他们希望创建更大、更实用的量子位。

“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。

”合著者、哈佛大学量子物理学家 Giulia Semeghini 在声明中说。

“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。

现在还有很多东西需要探索。