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1973年，已故的理论物理学家Philip W. Anderson教授提出了一种全新的物质状态，在此后的近半个世纪，尤其是量子计算竞赛开始之后，这种奇异的物质状态广受科学家关注。
这种假说中的物质状态被称作“量子自旋液体”（quantum spin liquid）。虽然名字里含有“液体”，但它其实与我们熟悉的液体完全是两码事。其实，这种状态名字中的“液体”指的是其磁矩不会被“冻结”，以及电子自旋的方式与液态相似。常规磁铁在温度足够低时，其中的电子被“冻结”；而在量子自旋液体中，这样的现象不会发生，电子在这种纠缠度很高的量子状态下不断波动。
这种独特的性质使得量子自旋液体在高温超导、量子计算等领域极具应用潜力。但问题是，这种物质状态真的存在吗？在被提出后的近50年里，没有人亲眼看见过这种状态。
终于，一篇最新的《科学》论文终结了这一悬念。由哈佛大学的科学家领导的团队宣布，他们在实验中记录下了这个搜寻已久的奇特状态。
论文共同领导者，哈佛大学的Mikhail Lukin教授评价道：“这是一个特别的时刻，你可以真正触摸到这种奇异状态，并且操纵它来理解其性质。这是人们从未观察过的全新物质状态。”
为了观察到这种状态，研究团队使用了他们开发的可编程量子模拟器。利用这种特别的量子计算机，研究者可以编程创建出正方形、蜂窝形、三角形等形状的晶格。随后，他们将超冷原子放置在晶格相应的位置上，使得它们相互作用、形成纠缠态。这样，研究者就能在整个结构处于纠缠态时测定、分析原子间的联系。
最终，这种被称作拓扑弦的联系出现了，对它们的分析也证实了量子自旋液体的存在。
▲Lukin教授正与论文第一作者Giulia Semeghini博士正在观察他们发现的新物态（图片来源：Kris Snibbe/Harvard Staff Photographer）
论文共同作者，普林斯顿高等研究院的Subir Sachdev教授介绍道：“你可以按照你的想法，将原子移动到尽可能远的地方、改变激光的频率，或是以从未有过的方式改变自然参数。在这里，你可以观察到每一个原子发生了什么。”
在传统的磁铁中，电子自旋会有序地指向上方或下方。量子自旋液体则完全不同，在这种情况下，增加了第三个方向的电子自旋，因此传统的棋盘模式变成了三角形模式。在传统模式中，一对电子可以保持稳定；但在三角形中，总是会存在单个的电子，因此电子自旋始终无法稳定地指向同一个方向。
▲对材料拓扑性质的研究（图片来源：参考资料[1]）
在确认了量子自旋液体的存在之后，研究者转向了这种物质状态的潜在应用。在他们看来，这种状态或许能推动设计更先进的量子材料、提升量子技术。尤为重要的是，量子自旋液体有望用来创造更稳定、能抵抗外界干扰的拓扑量子比特。而量子比特是量子计算机运行、拥有强大算力的基础单元。
在一项概念性测试中，研究团队指出，未来或许可以通过模拟器，将量子自旋液体放置在特定在几何构型中，从而创建出这样的量子比特。接下来，研究团队计划使用量子模拟器继续研究这种奇异状态。
“我们展示了创建拓扑量子比特的第一步，但我们仍需证明要如何进行编码、操纵这种状态，”论文第一作者Giulia Semeghini博士表示，“（关于这种状态）仍有许多需要我们进一步探索的。”
参考资料：
[1] G. Semeghini et al. Probing Topological Spin Liquids on a Programmable Quantum Simulator. Science (2021). DOI: 10.1126/science.abi8794
[2] Harvard-led researchers document the presence of quantum spin liquids, a never-before-seen state of matter. Retrieved Dec 2nd, 2021 from https://www.eurekalert.org/news-releases/936121
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