Science：科学家们记录了一种前所未有的物质态

           ——量子自旋液体的存在

诸平

Prof. Mikhail Lukin (left) and Giulia Semeghini, lead researcher, observe a state of matter predicted and hunted for 50 years but never previously observed. Inside the LISE building they study Quantum spin liquids using lasers. Kris Snibbe/Harvard Staff Photographer. Credit: Kris Snibbe/Harvard Staff Photographer

据美国哈佛大学（Harvard University）2021年12月2日提供的消息，哈佛大学领导的研究人员记录了量子自旋液体的存在，这是一种从未见过的物质状态（Scientists document the presence of quantum spin liquids, a never-before-seen state of matter）。

1973年，物理学家菲利普·安德森(Philip W. Anderson)提出了一种新物质状态存在的理论，这是该领域的一个主要焦点，尤其是在量子计算机的竞争中。

这种奇异的物质状态被称为量子自旋液体（quantum spin liquid），与名称相反，它与水等日常液体没有任何关系。相反，这一切都是关于永不冻结的磁铁和它们中的电子自旋的方式。在一般的磁体中，当温度下降到某一温度以下时，电子稳定下来，形成具有磁性的固体块。在量子自旋液体中，电子在冷却时不稳定，不形成固体，而且在有史以来最纠缠的量子态之一中不断变化和波动(像液体一样)。

量子自旋液体的不同性质在推进高温超导体和量子计算机等量子技术方面具有广阔的应用前景。但关于这种物质状态的问题在于它的存在。至少没有人见过它，这种情况已经持续了近50年。

今天，一个由哈佛大学领导的物理学家团队说，他们终于通过实验证明了这种人们梦寐以求的奇特物质状态。2021年12月2日在《科学》(Science)杂志网站上发表了一项新研究——G. Semeghini, H. Levine, A. Keesling, S. Ebadi, T. T. Wang, D. Bluvstein, R. Verresen, H. Pichler, M. Kalinowski, R. Samajdar, A. Omran, S. Sachdev, A. Vishwanath, M. Greiner, V. Vuletić, M. D. Lukin. Probing Topological Spin Liquids on a Programmable Quantum Simulator. Science, 2 Dec 2021, 374(6572): 1242-1247. DOI: 10.1126/science.abi8794. http://www.science.org/doi/10.1126/science.abi8794. 此研究论文描述了这项工作，它标志着我们朝着能够按需产生这种难以捉摸的状态迈出了一大步，并对其神秘的本质有了新的理解。

哈佛量子计划(Harvard Quantum Initiative简称HQI)联合主任、该研究的资深作者之一、乔治·瓦斯默·莱弗里特物理学教授（George Vasmer Leverett Professor of Physics）米哈伊尔·卢金（Mikhail Lukin）说：“这是该领域一个非常特殊的时刻，你真的可以触摸、戳戳这种奇特的状态，并操纵它来了解它的属性。……这是一种人们以前从未观测到的物质的新状态。”

从这项科学研究中获得的经验可能会在某一天为设计更好的量子材料和技术提供进步。更具体地说，量子自旋液体的奇异特性可能是创造更强大的量子比特即拓扑量子位（topological qubits）的关键，预计它们可以抵抗噪音和外部干扰。

上述研究的主要作者、哈佛大学马克斯普朗克量子光学中心(Harvard-Max Planck quantum Optics Center)的博士后朱莉娅·塞梅基尼(Giulia Semeghini)说：“这是量子计算领域的一个梦想，学习如何创建和使用这样的拓扑量子位将是实现可靠的量子计算机的重要一步。”

该研究团队开始使用实验室在2017年最初开发的可编程量子模拟器来观察这种液体状的物质状态。该模拟器是一种特殊的量子计算机，它允许研究人员创建可编程的形状，如正方形、蜂巢或三角形晶格，以设计超冷原子之间的不同交互和纠缠。它被用来研究许多复杂的量子过程。

使用量子模拟器的想法是能够重现凝聚态系统中发现的相同的微观物理（microscopic physics），特别是在系统的可编程性允许的自由下。

赫切尔·史密斯物理学教授（Herchel Smith Professor of Physics）和现任美国高等研究院莫林和约翰·亨德里克斯特聘教授（current Maureen and John Hendricks Distinguished Visiting Professor at the Institute for Advanced Study）、该研究的共同作者苏比尔·萨克德夫（Subir Sachdev）说：“你可以把原子分开到你想要的最远，也可以改变激光的频率，还可以真正改变自然界的参数，这是你在之前研究这些东西的材料中无法做到的。在这里，你甚至还可以观察每个原子，看看它在做什么。”

在传统的磁铁中，电子自旋以某种规则的模式指向上或下。例如，在日常使用的冰箱磁铁中，所有的自旋都指向同一个方向。之所以会出现这种情况，是因为这些自旋通常以棋盘格模式（checker box pattern）工作，它们可以配对，从而指向相同的方向或交替的方向，保持一定的顺序。

量子自旋液体没有那种磁性顺序。这是因为，从本质上说，添加了第三个旋转即自旋，将方格图案变成了三角形图案。虽然一对电子总是能在一个或另一个方向上稳定下来，但在三角形中，第三个自旋始终会是多余的电子。这就形成了一个“受挫”磁体（"frustrated" magnet），电子自旋无法在单一方向上稳定。

朱莉娅·塞梅基尼说:“本质上，它们在同一时间以一定的概率处于不同的构型。这是量子叠加的基础。”

哈佛大学的科学家们使用模拟器创造了他们自己的失意晶格模式（frustrated lattice pattern），把原子放在那里进行相互作用和纠缠。在整个结构纠缠之后，研究人员能够测量和分析连接原子的弦。这些弦被称为拓扑弦（topological strings），对其的存在和分析表明，量子关联正在发生，物质的量子自旋液态已经出现。

这项工作建立在苏比尔·萨克德夫和他的研究生莱茵·萨马杰达尔（Rhine Samajdar）早期理论预测的基础上，并基于哈佛物理学教授阿什文·维什瓦纳（Ashvin Vishwanah）和HQI博士后研究员鲁本·维勒森（Ruben Verresen）的具体提议。该实验是与马克斯·普朗克-哈佛量子光学研究中心（Max Planck-Harvard Research Center for Quantum Optics）联合主任、乔治·瓦斯默·莱弗里特（George Vasmer Leverett）物理学教授马库斯·格里纳（Markus Griener）的实验室以及来自奥地利因斯布鲁克大学（University of Innsbruck）和美国波士顿奎拉计算公司（QuEra Computing in Boston）的科学家合作完成的。QuEra Computing 是一家基于中性原子的量子计算初创公司，位于波士顿，靠近哈佛大学。

鲁本·维勒森说:“理论和实验之间的反复是非常令人兴奋的。当原子的快照和预期的二聚体结构摆在我们面前时，那是一个美丽的时刻。可以肯定地说，我们没有料到我们的建议会在几个月内得到实现！”

在确认了量子自旋液体的存在后，研究人员转向了这种物质状态的可能应用，以创造强大的量子位。他们进行了一个概念验证测试，表明有朝一日可能通过使用模拟器将量子自旋液体放在一个特殊的几何阵列中来制造这些量子比特。

研究人员计划使用可编程量子模拟器继续研究量子自旋液体，以及如何使用它们来创造更强大的量子位。毕竟，量子位是量子计算机赖以运行的基本构件，也是它们巨大处理能力的来源。

朱莉娅·塞梅基尼说:“我们展示了如何创建这种拓扑量子位的最初步骤，但我们仍然需要演示如何真正编码和操纵它。现在还有很多值得探索的地方。”

上述介绍，仅供参考。欲了解更多信息，敬请注意浏览原文或者相关报道。

Synthesizing topological order

Topologically ordered matter exhibits long-range quantum entanglement. However, measuring this entanglement in real materials is extremely tricky. Now, two groups take a different approach and turn to synthetic systems to engineer the topological order of the so-called toric code type (see the Perspective by Bartlett). Satzinger et al. used a quantum processor to study the ground state and excitations of the toric code. Semeghini et al. detected signatures of a toric code–type quantum spin liquid in a two-dimensional array of Rydberg atoms held in optical tweezers. —JS

Abstract

Quantum spin liquids, exotic phases of matter with topological order, have been a major focus in physics for the past several decades. Such phases feature long-range quantum entanglement that can potentially be exploited to realize robust quantum computation. We used a 219-atom programmable quantum simulator to probe quantum spin liquid states. In our approach, arrays of atoms were placed on the links of a kagome lattice, and evolution under Rydberg blockade created frustrated quantum states with no local order. The onset of a quantum spin liquid phase of the paradigmatic toric code type was detected by using topological string operators that provide direct signatures of topological order and quantum correlations. Our observations enable the controlled experimental exploration of topological matter and protected quantum information processing.