第674章 “量子汤”中发现新物态

据美国趣味科学网站12月14日报道，科学家首次在实验室中发现了一种人们长期推测存在、但此前从未见过的物态。

报道称，通过向超冷铷原子晶格发射激光，科学家们已经把这些原子注入了一份由量子不确定性构成的乱糟糟的“汤”中——这份汤名为“量子自旋液体”。

报道指出，这份量子汤中的原子迅速建立联系，通过名为量子纠缠的过程在整份材料中把它们的状态连接起来。研究人员3日在美国《科学》周刊上发表描述这一发现的论文称，这意味着对一个原子做出的任何改变都会立即导致材料中其他所有原子的变化；这一突破可以为研发出更好的量子计算机铺平道路。

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：“这是该领域一个非常特殊的时刻。你可以真的触摸、拨弄和戳碰这种奇异的状态并操控它，以此来了解它的特性。这是人们此前未能观察到的一种新物态。”

据报道，物理学家菲利普·安德森在1973年首次提出量子自旋液体的理论，即当材料在诱导之下违背控制其磁行为的通常规则时，量子自旋液体就会形成。

报道指出，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副本。他们将一个由219个被囚禁的铷原子组成的阵列——该阵列可用于精细设计和模拟各种量子过程——冷却至约十万分之一开氏度（零开氏度即绝对零度，也就是零下273.15摄氏度）。

报道称，有时，一个原子中的一个电子处于比其他电子高得多的能量水平，就会使这个原子处于所谓的里德堡态。在创造出里德堡态的量子汤后，研究人员对前述阵列进行了测试，并证实整份材料中的原子都纠缠起来。他们创造了一种量子自旋液体。

报道还称，然后，科学家们将注意力转向对其潜在应用进行概念验证上：设计一部量子计算机的量子比特。虽然普通计算机使用比特（即0和1）来构成所有计算的基础，但量子计算机使用的是量子比特，量子比特可同时以一种以上的状态存在。不过量子比特脆弱得令人难以置信，与外部世界的任何互动都可能轻易毁掉它们携带的信息。

然而报道指出，量子自旋液体可以涵盖整份材料的纠缠这一特性可能使信息存储的可靠性大大增强。这是因为它不是把量子信息编入仅仅一个量子比特，而是允许信息包含在纠缠自旋态在整份材料中形成的形状或拓扑结构中，从而创造出一个“拓扑量子比特”。通过把信息编入由多个部分而不是一个部分组成的形状中，拓扑量子比特丢失其所有信息的可能性要小得多。

报道指出，研究人员的这一概念验证只创造了一个微小的拓扑量子比特，长度仅为数十个原子，但他们希望在未来创造出更大、更实用的量子比特。

研究报告作者之一、哈佛大学量子物理学家朱莉娅·塞梅吉尼在前述声明中说：“学习如何创造和使用这种拓扑量子比特将是朝着实现可靠的量子计算机迈出的重要一步。我们展示了如何创造这个拓扑量子比特的最初步骤，但我们仍然需要展示如何才能对它进行编码和操控。现在还有很多东西要探索。”

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