第674章 「量子湯」中發現新物態

據美國趣味科學網站12月14日報道，科學家首次在實驗室中發現了一種人們長期推測存在、但此前從未見過的物態。

報道稱，通過向超冷銣原子晶格發射激光，科學家們已經把這些原子注入了一份由量子不確定性構成的亂糟糟的「湯」中——這份湯名為「量子自旋液體」。

報道指出，這份量子湯中的原子迅速建立聯繫，通過名為量子糾纏的過程在整份材料中把它們的狀態連接起來。研究人員3日在美國《科學》周刊上發表描述這一發現的論文稱，這意味著對一個原子做出的任何改變都會立即導致材料中其他所有原子的變化；這一突破可以為研發出更好的量子計算機鋪平道路。

哈佛大學物理學教授、哈佛量子計劃聯合主任米哈伊爾·盧金在一份聲明中說：「這是該領域一個非常特殊的時刻。你可以真的觸摸、撥弄和戳碰這種奇異的狀態並操控它，以此來了解它的特性。這是人們此前未能觀察到的一種新物態。」

據報道，物理學家菲利普·安德森在1973年首次提出量子自旋液體的理論，即當材料在誘導之下違背控制其磁行為的通常規則時，量子自旋液體就會形成。

報道指出，研究人員無法直接研究理想的量子自旋液體，因此他們在另一個實驗系統中創建了一個近乎完美的副本。他們將一個由219個被囚禁的銣原子組成的陣列——該陣列可用於精細設計和模擬各種量子過程——冷卻至約十萬分之一開氏度（零開氏度即絕對零度，也就是零下273.15攝氏度）。

報道稱，有時，一個原子中的一個電子處於比其他電子高得多的能量水平，就會使這個原子處於所謂的里德堡態。在創造出里德堡態的量子湯后，研究人員對前述陣列進行了測試，並證實整份材料中的原子都糾纏起來。他們創造了一種量子自旋液體。

報道還稱，然後，科學家們將注意力轉向對其潛在應用進行概念驗證上：設計一部量子計算機的量子比特。雖然普通計算機使用比特（即0和1）來構成所有計算的基礎，但量子計算機使用的是量子比特，量子比特可同時以一種以上的狀態存在。不過量子比特脆弱得令人難以置信，與外部世界的任何互動都可能輕易毀掉它們攜帶的信息。

然而報道指出，量子自旋液體可以涵蓋整份材料的糾纏這一特性可能使信息存儲的可靠性大大增強。這是因為它不是把量子信息編入僅僅一個量子比特，而是允許信息包含在糾纏自旋態在整份材料中形成的形狀或拓撲結構中，從而創造出一個「拓撲量子比特」。通過把信息編入由多個部分而不是一個部分組成的形狀中，拓撲量子比特丟失其所有信息的可能性要小得多。

報道指出，研究人員的這一概念驗證只創造了一個微小的拓撲量子比特，長度僅為數十個原子，但他們希望在未來創造出更大、更實用的量子比特。

研究報告作者之一、哈佛大學量子物理學家朱莉婭·塞梅吉尼在前述聲明中說：「學習如何創造和使用這種拓撲量子比特將是朝著實現可靠的量子計算機邁出的重要一步。我們展示了如何創造這個拓撲量子比特的最初步驟，但我們仍然需要展示如何才能對它進行編碼和操控。現在還有很多東西要探索。」

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