物理学家首次观察量子自旋液体

2021-12-28 / 作者:猫咪资讯 / 来源:网络整理 / 阅读:1026 /
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物理学家菲利普·安德森于1973年首次提出理论,量子自旋液体是具有拓扑顺序的物质的奇异相。它们的特点是远程量子纠缠,有可能被用来实现鲁棒的量子计算。但是这个奇异物质状态的问题在于它的存在:没有人见过它& # 8212;至少,这种情况已经持续了近50年。里德堡原子阵列中的di聚体模......

物理学家菲利普·安德森于1973年首次提出理论,量子自旋液体是具有拓扑顺序的物质的奇异相。它们的特点是远程量子纠缠,有可能被用来实现鲁棒的量子计算。但是这个奇异物质状态的问题在于它的存在:没有人见过它& # 8212;至少,这种情况已经持续了近50年。

里德堡原子阵列中的Dimer model in Rydberg atoms arrays: (A) fluorescence image of 219 atoms arranged on the links of a kagome lattice; Rydberg atoms are marked with red dimers on the bonds of the kagome lattice; (B) a state consistent with the Rydberg blockade at maximal filling can then be viewed as a dimer covering of the kagome lattice, where each vertex is touched by exactly one dimer; (C) the quantum spin liquid state corresponds to a coherent superposition of exponentially many dimer coverings. Image credit: Semeghini et al., doi: 10.1126/science.abi8794.di聚体模型:(A)排列在戈薇晶格链节上的219个原子的荧光图像;里德堡原子在戈薇晶格的键上用红色二聚体标记;(B)与最大填充时的里德伯阻断一致的状态可以被视为戈薇晶格的二聚体覆盖,其中每个顶点正好被一个二聚体接触;(C)量子自旋液态对应于指数众多二聚体覆盖的相干叠加。影像学分:Semeghini等,doi:10.1126/science . ab 8794。

哈佛大学的米哈伊尔·卢金教授和他的同事说:“量子自旋液体与日常液体如水无关。

“相反,这一切都是关于永不冻结的磁铁和其中的电子旋转方式。”

“在常规磁体中,当温度下降到一定温度以下时,电子稳定下来,形成具有磁性的固体物质。在量子自旋液体中,电子在冷却时不会稳定,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(像液体一样)。”

卢金教授和合著者开始使用可编程量子模拟器观察量子自旋液体。

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、蜂窝或三角形晶格,以设计超冷原子之间的不同相互作用和纠缠。

使用量子模拟器的想法是能够重现凝聚态系统中发现的相同微观物理,特别是系统的可编程性允许的自由度。

哈佛大学的苏比尔·萨赫德夫教授说:“你可以把原子移动到你想要的距离,你可以改变激光的频率,你可以真正改变自然的参数,这是以前在研究这些东西的材料中无法做到的。

在传统磁体中,电子自旋以某种规则的方式指向上或指向下。

例如,在日常的冰箱磁铁中,自旋都指向同一个方向。这是因为旋转通常以方格图案进行,并且可以配对,这样它们可以指向相同的方向或交替的方向,保持一定的顺序。

量子自旋液体没有显示出这种磁性。这是因为,本质上,增加了第三个旋转,将方格图案变成了三角形图案。

虽然一对总是可以稳定在一个方向或另一个方向,但在三角形中,第三个自旋总是奇数电子出来。

这使得受抑磁体中的电子自旋不能稳定在一个方向上。

“本质上,它们在同一时间以一定的概率处于不同的配置。这是量子叠加的基础,”哈佛-马克斯·普朗克量子光学中心博士后研究员Giulia Semeghini博士说。

作者使用模拟器创建了他们自己的受抑晶格模式,将原子放在那里相互作用和纠缠。

然后,他们能够测量和分析整个结构纠缠后连接原子的弦。

这些被称为拓扑弦的弦的存在和分析,意味着量子关联正在发生,物质的量子自旋液态已经出现。

哈佛大学博士后研究员鲁本·维尔雷森博士说:“理论和实验之间的反复是极其刺激的。

“这是一个美丽的时刻,当时拍摄了原子的快照,预期的二聚体构型直视着我们。可以肯定地说,我们没有想到我们的建议会在几个月内实现。”

在证实了量子自旋液体的存在后,科学家们转向了这种物质状态在创建强健的量子比特方面的可能应用。

他们进行了一项概念验证测试,表明有一天有可能通过使用模拟器将量子自旋液体放入一个特殊的几何阵列中来创建这些量子比特。

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健壮的量子比特。

毕竟,量子比特是量子计算机运行的基本构件,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,但我们仍然需要展示如何对它进行编码和操作。现在还有很多东西需要探索,”塞姆吉尼博士说。

该团队的论文发表在《科学》杂志上。

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G.Semeghini等人,2021年。在可编程量子模拟器上探测拓扑自旋液体。科学374(6572):1242-1247;doi: 10.1126/science.abi8794


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