全新技术探测量子自旋液体，为量子计算机材料研发提供新方向

科技日报于北京, 6月10日进行报道, 记者是张佳欣, 爱尔兰科克大学学院 的研究团队近期在量子材料范畴之内, 迈进具有里程碑意义的进程, 由他们所开发的, 一项叫做 “自旋见证光谱学” 的, 原创性质的技术, 头一回成功发觉量子自旋液体里关键性准粒子 “自旋子” 的存在依据, 相关成果在《自然·物理学》上发表, 被学术领域当作迈向 “量子硅” 研究的关键步骤, 极有可能为将来容错量子计算机所作的材料研发开拓全新型的方向。

一种奇特的量子物态叫做量子自旋液体 普通磁性物质在低温之下原子自旋会整齐排列 或者就 “冻结” 了 与之不一样 量子自旋液体里的原子自旋 哪怕在迫近绝对零度的时候 也一直维持动态纠缠 永远都不固化 这种 “永远不冻结的磁性液体” 内部布满量子涨落 是孕育自旋子 、维森子等奇异准粒子的理想环境。这里面 自旋子跟量子纠缠联系紧密 是被看作研究强关联电子系统以及拓扑量子计算的关键粒子。

对赫伯茨密石而言, 自人工合成于2004年之后, 它始终是有望实现量子自旋液体的候选材料当中的一个。可是, 这种矿物天然含有磁性杂质原子, 由这些杂质生成的干扰信号长时间掩盖了真实量子态, 致使直接观测自旋子变得险些成为不可能。

并非试着去除有着“捣乱”性质的杂质，研究团队巧妙地把它们转变成“量子见证者”, 将杂质自旋当作量子比特来对待, 通过剖析其动态变化这一方式, 反向推导出背后量子自旋液体的行为, 借助于超导量子干涉仪, 能捕捉到极其微弱磁信号的“自旋见证光谱学”技术被创造出来。

实验期间, 赫伯茨密石晶体自行产生的磁信号, 乍一看仿佛是毫无规律的噪声。然而经过深入剖析后发现, 这些表现为噪声的信号具备特定结构, 此结构揭示出杂质自旋之间存在着有序的相互作用关系, 而这种相互作用恰恰是由自旋子来介导的。

更让人感到振奋不已的是, 自旋子跟维森子之间存有特别的量子关联, 二者相互绕行的时候, 量子状态将会发生改变, 这种性质被视作是“拓扑量子计算”的基础机制当中的一个, 拓扑量子计算借助粒子的“编织”操作来存储以及处理量子信息, 天生具备抗干扰能力, 有希望构建出更为稳定的容错量子计算机。

但是, 当下赫伯茨密石里头所发现的粒子依旧是属于“阿贝尔任意子”范畴, 该种情况与达成现实量子计算所需要的“非阿贝尔任意子”体系相比存在着差距。然而此次做出的突破已然证实了间接探测自旋子具备可行性, 这为后续去寻觅更为理想的量子材料给出了清晰明确的方向。

研究团队宣称, 此项成果不但证实了自旋见证光谱学具备有效性, 还意味着人类朝着“量子硅”时代更进了一步。接下来, 他们打算把这一技术运用到其他候选材料上, 找寻更适配拓扑量子计算的非阿贝尔任意子体系, 为将来量子计算机的实用化筑牢根基。

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