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

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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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