量子自旋液体到底是什么鬼？或将成为量子计算新突破！
1973 年，诺贝尔奖得主、凝聚态理论物理学家菲利普•安德森（Philip W. Anderson） 提出了一种新物质状态的理论：在量子体系中，电子可被视为由两个粒子组成，一个带有电子的负电荷，另一个粒子会自旋，这种包含自旋能力的粒子为自旋子。这个理论就是量子自旋液体的雏形。该概念一经提出，便吸引了众多物理学家的目光。
Philip W. Anderson (1923-2020)
与水等日常液体不同，量子自旋液体（quantum spin liquid，QSL）指的是一种神秘的新型物质形态，确切的说，是量子磁性系统的一种特殊的量子无序态。为了让大家更好地理解量子自旋液体的功能原理，你可以先了解一下普通的磁性物质工作原理。在普通的磁铁中，当温度降到足够低时，电子就会稳定下来，会像是旋转的条形磁铁一样根据磁极进行自我排列，形成具有磁性的固体物质。然而，在量子自旋液体中，即使温度降到绝对零度，这些电子也不会稳定下来形成固体，而是在有史以来最纠缠的量子态之一中不断变化和波动，就像液体一样。
正是由于这种特性，量子自旋液体在量子计算和量子信息存储等前沿领域具有广阔的应用前景，是实现量子计算实用化的途径之一。同时，量子自旋液体材料在高温超导、磁传感器和磁制冷等技术方面也具有重要的应用价值。
带有中子的蜂巢晶格上的自旋液态的激发过程
受研究手段所限，量子自旋液体从理论研究到实验研究进展一直比较缓慢。虽然物理学家们已经进行了大量的研究来确定它们是什么以及如何表征它们，但是关于这种物质状态的理论研究本来就十分棘手，更别提如何通过实验证实它的存在，直接观察并记录这种神秘的奇异物质状态。近 50 年来，人们都没有见识过量子自旋液体的“庐山真面目”！
50年来，首次实验室直接观察并记录量子自旋液体
2021年12月2日，来自哈佛大学和MIT的研究团队在《Science》发文表示，他们终于通过实验记录了这种备受追捧的奇异物质状态，首次在实验中直接观察到量子自旋液体及其关键特征。这标志着人类朝着能够按需产生这种难以捉摸的状态并对其神秘性质获得新的理解迈出了巨大的一大步。
Mikhail Lukin 教授（左）和博后研究员 Giulia Semeghini 使用激光观察了一种以前从未观察到的物质状态---量子自旋液体。图片来源：Kris Snibbe
“这是量子自旋液体领域一个非常特殊的时刻，”哈佛量子计划 (HQI) 的联合主任、物理学教授Mikhail Lukin激动地说道。“你真的可以触摸、戳和戳这种奇异的状态，并操纵它来了解它的特性。这是一种人们从未能够观察到的新物质状态。”
上述研究成果以“Probing topological spin liquids on a programmable quantum simulator”为题，发表在《Science》上。哈佛-马克斯普朗克量子光学中心的博士后研究员Giulia Semeghini为论文的第一作者，哈佛大学物理系A. Vishwanath教授、M. Greiner教授、M. D. Lukin教授和MIT物理系V. Vuletić教授为论文的共同通讯作者。
在传统磁铁中，电子自旋以某种规则模式向上或向下。例如在日常冰箱磁铁中，所有自旋都指向同一个方向。发生这种情况是因为旋转通常以棋盘格模式工作并且可以配对，以便它们可以指向相同的方向或交替的方向，保持一定的顺序。
然而，量子自旋液体不显示任何磁性顺序。这是因为，本质上量子自旋液体中添加了第三次旋转，将复选框图案变为三角形图案。虽然一对总是可以在一个方向或另一个方向上稳定，但在三角形中，第三个自旋将始终是奇数电子。这导致电子自旋无法在单一方向上稳定的“受挫”磁铁的形成。
为了探究量子自旋液体拓扑有序相的特性，研究团队使用实验室于 2017 年开发的可编程量子模拟器来观察这种类似液体的物质状态。该模拟器是一种特殊的量子计算机，由使用光镊排列在二维晶格上的 219 个原子组成，允许研究人员创建可编程的形状，如正方形、蜂窝或三角形晶格来设计超冷原子之间的不同相互作用和纠缠。通过控制相邻原子之间的相互作用，晶格被诱导成拓扑有序的相。
Rydberg原子阵列中的二聚体模型。(A) 排列在 Kagome 晶格链上的 219 个原子的荧光图像。原子的最终状态是通过基态原子的荧光成像确定的。Rydberg原子在 Kagome 晶格的键上用红色二聚体表示。
研究团队使用模拟器创建了他们自己的受挫晶格图案，将原子放置在那里进行相互作用和纠缠，并在量子处理器上运行程序并监测处理器 219 个原子之间的长程纠缠特性。然后，研究人员测量并分析了这些量子相关性如何在沿着蜿蜒路径的自旋之间建立起来，从而产生直接反映量子相位拓扑顺序的数据。同时，通过分析在整个结构纠缠在一起后连接原子的弦（称为拓扑弦）表明，量子相关正在发生，物质的量子自旋液态已经出现。
通过对角线算子检测二聚体相位
通过非对角字符串算子探测二聚体状态之间的相干性
通过编码，可以创建拓扑量子位，朝量子计算机迈出重要的一步
在确认量子自旋液体的存在后，研究人员将目光转向了这种物质状态的可能应用，以创建强大的量子位。他们进行了一项概念验证测试，展示了如何将量子信息编码到系统中，并通过展示可以再次读出一点编码信息，建立了创建量子存储器的路径。这表明可以通过使用模拟器将量子自旋液体放入特殊的几何阵列中来创建这些量子位。
“这是量子计算的一个梦想，” Giulia Semeghini 说。“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。”
“虽然我们展示了如何创建这个拓扑量子位，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。”
参考文献：
Giulia Semeghini et al, Probing Topological Spin Liquids on a Programmable Quantum Simulator, Science (2021). DOI: 10.1126/science.abi8794.
www.science.org/doi/10.1126/science.abi8794
来源：高分子科学前沿
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