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有研究者預(yù)測，總有一天量子計算機在破解數(shù)字加密、設(shè)計藥物等方面會創(chuàng)造出無窮無盡的奇跡。然而，目前量子計算機的發(fā)展還處于早期階段，量子算法還有待優(yōu)化。一些研究人員嘗試在亞原子級別對量子計算機進行必要的控制。

哈佛大學(xué)物理學(xué)家 Markus Greiner 表示：「實現(xiàn)這一目標(biāo)是非常艱巨的。」

然而，即使沒有成熟的量子計算機，物理學(xué)家們也在使用相關(guān)的、更專業(yè)的機器類型——量子模擬器（一種特殊的量子計算機）——來模擬量子系統(tǒng)的復(fù)雜行為。

正如美國理論物理學(xué)家 Richard Feynman 在 1981 年一次演講中所提到的，「自然不是經(jīng)典的，如果你想模擬自然，你最好讓它成為量子力學(xué)。」

過去幾年，來自巴黎、劍橋和馬薩諸塞州的研究小組通過使用 dark-horse 型量子模擬器，在量子計算機方面取得了巨大進展。他們做了一系列模擬，而這些模擬在經(jīng)典計算機中需要耗時幾個月甚至更長的時間才能完成。

近日，劍橋研究小組公布了他們迄今為止最重要的發(fā)現(xiàn)，該小組包括來自哈佛大學(xué) Lukin 領(lǐng)導(dǎo)的團隊、Greiner 領(lǐng)導(dǎo)的實驗室、MIT Vladan Vuletić領(lǐng)導(dǎo)的研究小組組成。他們使用量子模擬器檢測到一種難以捉摸的物質(zhì)狀態(tài)：量子自旋液體，它存在于概述物質(zhì)組織方式的百年范式之外。目前該研究登上《Science》。

1973 年，凝聚態(tài)物質(zhì)先驅(qū)以及諾貝爾獎獲得者 Philip Anderson 提出了一種新的物質(zhì)狀態(tài)理論，即物質(zhì)可能會進入一種稱為量子自旋液體的奇異狀態(tài)，其中自旋是與磁現(xiàn)象密切相關(guān)的一個物理量。量子自旋液體具有廣闊的應(yīng)用前景，可用于量子計算機等技術(shù)的發(fā)展。

量子自旋液體是具有拓?fù)漤樞虻钠娈愇镔|(zhì)相，在過去的幾十年里一直是物理學(xué)的主要焦點。這種相具有長程量子糾纏特性，有可能被用來實現(xiàn)穩(wěn)健的量子計算。該研究使用具有 219 個原子的可編程量子模擬器來探測量子自旋液體。在此研究中，原子陣列被放置在 Kagome 晶格的鏈上，并且在里德堡 blockade 下的演變創(chuàng)造了沒有局部秩序的受挫量子態(tài)。該研究為拓?fù)湮镔|(zhì)的可控實驗探索和保護量子信息處理提供了可能。

該研究證實了一個有近 50 年歷史、預(yù)測了這種奇異狀態(tài)的理論，這也標(biāo)志著朝著構(gòu)建真正有用的通用量子計算機的夢想邁進了一步。

論文地址：https://www.science.org/doi/10.1126/science.abi8794

劍橋小組的負(fù)責(zé)人 Mikhail Lukin 表示：「基本上，我們組裝了一塊人造晶體。」

加州大學(xué)伯克利分校的凝聚態(tài)理論家 Ehud Altman 表示：「如果縱觀超冷原子實驗的整個歷史，該研究可能是該領(lǐng)域最令人印象深刻和開創(chuàng)性的實驗之一。」

中性原子

這項研究使用了一種基于中性原子的新型量子計算方法。盡管該方法落后于超導(dǎo)電路等更流行的量子計算技術(shù)，但中性原子具有的特殊性質(zhì)長期以來一直吸引著量子工程師。

構(gòu)建量子計算機的關(guān)鍵是組裝一組量子比特。量子比特必須首先與外部世界隔離，否則振動和熱量會摧毀量子之間的特性。然而，量子比特必須同時具有可訪問性和可操作性。

支持者說，中性原子能很好地平衡這些需求。激光束可以像牽引光束一樣捕獲和移動原子，保護它們免受外部干擾。額外的激光脈沖可以將原子變成超大的里德堡態(tài)。至關(guān)重要的是，這些中性原子量子比特可以同時假設(shè)量子疊加，還可以通過量子糾纏（量子計算的兩個基本要素）遠(yuǎn)程相互連接。

二十多年來，研究人員一直在擴大對中性原子的控制。有研究小組在 2001 年用激光鑷子（tweezers）捕獲了單個原子，然后在 2010 年捕獲原子糾纏對。劍橋和巴黎的研究小組在 2016 年取得了突破性進展，他們研究了如何對數(shù)十個原子進行控制。下一代機器已經(jīng)達(dá)到了三位數(shù)，這使得未來的計算機成為量子現(xiàn)象的強大模擬器。

2018 年，巴黎研究小組將中性原子操縱成埃菲爾鐵塔的 3D 模型。

研究人員一直在使用這些中性原子網(wǎng)格來探測量子物質(zhì)的相。這些就像我們熟悉的液體和固體相，但在混合中加入了疊加和糾纏，以實現(xiàn)更奇特和復(fù)雜的配置。量子相的探索可以有實際應(yīng)用，例如幫助我們了解導(dǎo)致高溫超導(dǎo)的原因。

凝聚態(tài)物理學(xué)家使用自然界中發(fā)現(xiàn)的晶體及其在實驗室中生長的物質(zhì)來研究這些相。中性原子研究人員可以靈活地「編程」他們的物質(zhì)，通過操縱里德堡態(tài)將原子精確地定位到任何形狀的晶格中并設(shè)計原子相互作用。

里德堡原子陣列中的二聚體模型。

劍橋團隊首次直接測量量子自旋液體的拓?fù)湫蛄?/span>

量子自旋液體經(jīng)歷了大量的糾纏，這一特征導(dǎo)致了「拓?fù)洹剐蛄校@是由于單個粒子可以感知系統(tǒng)的整體拓?fù)浠驇缀涡螤睢Ｅe個例子，在冰塊上穿一個洞，它依然保持凍結(jié)狀態(tài)。但與之不同，移除量子自旋液體中心的原子，系統(tǒng)的特性可能會發(fā)生變換。這使得量子自旋液體成為一類新的物質(zhì)。

不同的研究團隊都發(fā)現(xiàn)了量子自旋液體的間接暗示（indirect hint），如論文《Colloquium: Herbertsmithite and the search for the quantum spin liquid》中的礦物 Herbertsmithite，它的晶體結(jié)構(gòu)尤其不適用于原子。但是，將一種材料的狀態(tài)直接確認(rèn)為量子自旋液體是幾乎不可能的，因為它的定義糾纏和相關(guān)拓?fù)湫蛄袩o法在某一點測量。

論文地址：https://journals.aps.org/rmp/abstract/10.1103/RevModPhys.88.041002

劍橋團隊使用量子模擬器獲得了鳥瞰圖（bird’s-eye view）。他們首先使用對中性原子進行編程，使其表現(xiàn)得像 Herbertsmithite 中的原子，其中 on-ff 里德堡態(tài)（Rydberg state）代表自旋。然后，他們測量了整個原子環(huán)和原子串的里德堡態(tài)，以獲得糾纏相關(guān)的非局部觀察。由此，他們首次直接測量了量子自旋液體的拓?fù)湫蛄小?/p>

拓?fù)湫蛄形锵啵╬hase of matter）的首次明確發(fā)現(xiàn)——分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)（fractional quantum hall effect）贏得了 1998 年的諾貝爾物理獎（由美國普林斯頓大學(xué)的崔琦、哥倫比亞大學(xué)的霍斯特 · 路德維希 · 施特默及斯坦福大學(xué)的羅伯特 · 勞克林三人獲得）。

「這次對量子自旋液體的探索——在我看來，這是一個非常特殊的時刻，」Lukin 表示。

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