令人惊讶的行为可以保护存储在量子比特中的信息
研究被称为重费米子的金属合金的奇怪行为的物理学家们有了一个惊人的发现，这可能有助于保护存储在量子比特中的信息。量子比特是量子计算机中编码信息的基本单位。
(杰夫·菲特洛/莱斯大学)
在《美国国家科学院院刊》(Proceedings of the National Academy of Sciences)上发表的一项研究中，来自奥地利莱斯大学(Rice University)和维也纳理工大学(Vienna University of Technology)的研究人员研究了铈、钯和硅金属间晶体在极冷和强磁场作用下的行为。令他们惊讶的是，他们发现可以用两种独特的方式改变材料的量子行为，一种是电子竞争占据轨道，另一种是电子竞争占据自旋态。
研究报告的共同通讯作者、大米量子材料中心(RCQM)主任司启茂(音译)说，这种效应在一个自由度下如此明显，以至于最终解放了另一个自由度。你可以对系统进行调整，使其中一个受到的伤害最大，而另一个则可以很好地定义
Si表示，这一结果可能对谷歌、IBM、英特尔等竞争开发量子计算机的公司很重要。与今天的’s数字计算机不同，量子计算机使用电子等亚原子粒子的量子态以量子位存储信息。在许多方面，一台实用的量子计算机可能会胜过它的数字计算机，但这项技术仍处于起步阶段，其中一个主要障碍是量子位元内部量子态的脆弱性。
如果你想确保存储在量子位元中的信息不会因为背景干扰而改变，你需要一个定义良好的量子态，” Si说。
每个电子都像一个自旋磁铁，它的自旋可以用上下两个值中的一个来描述。在许多量子位元的设计中，信息被编码在这些自旋中，但这些状态是如此脆弱，以至于即使是少量的光、热、振动或声音也能使它们从一种状态翻转到另一种状态。Si说，在量子位设计中，最大限度地减少’丢失给“decoherence”的信息是一个主要的关注点。
米量子材料中心是一个多学科的努力，以巩固米6037s大学在探索高温超导体和其他奇异材料方面的领导地位。
在这项新的研究中，Si与德国维也纳大学的西尔克·帕申(Silke Paschen)进行了长期的合作，研究了一种材料，这种材料中电子的量子态不仅按照自旋排列，而且按照轨道排列。
他说:“我们设计了一个系统，在一些理论模型中得以实现，同时在一种材料中也得以实现。在这种材料中，自旋和轨道几乎处于平等的地位，并且紧密耦合在一起。”
从2012年之前的研究中，Si、Paschen和同事们知道，化合物中的电子可以产生如此强烈的相互作用，以至于材料在极冷的温度下会发生剧烈的变化。在这个“量子临界点的两边，关键轨道上的”电子会以完全不同的方式排列自己，它们之间的位移完全是由量子相互作用引起的。
早前的研究引用了著名的Si理论，并在2001年由合作者提出，该理论规定了这些局域电子(合金内部原子的一部分)的自旋如何在量子临界点与自由流动的传导电子强耦合。根据“局域量子临界理论”，当材料冷却并接近临界点时，局域电子和传导电子的自旋开始竞争占据特定的自旋态。量子临界点是一个临界点，在这个临界点上，这种竞争破坏了局域电子的有序排列，使它们完全与传导电子纠缠在一起。
尽管Si已经研究了近20年的量子临界性，他还是对Paschen’s最新实验的结果感到惊讶。
他说:“这些新数据完全让我们困惑不解。也就是“，直到我们意识到这个系统不仅包含自旋，还包含作为活动自由度的轨道。”
基于这一认识，包括莱斯大学研究生蔡昂在内的Si’s团队建立了一个包含自旋和轨道的理论模型。他们对模型的详细分析揭示了量子临界的一种令人惊讶的形式，为实验提供了清晰的理解。
他说:“无论是从理论模型的角度还是从实验的角度来看，这对我来说都是一个打击。尽管这是一堆东西，轨道都是紧密耦合的，和背景导电电子，我们可以在一个系统中，解决两个量子临界点，只需要一个参数，也就是磁场。在每个量子临界点上，只有自旋或轨道驱动量子临界。另一个或多或少是个旁观者
Si是rice’物理与天文系的Harry C.和Olga K. Wiess教授。
《study’》的联合主要作者是蔡和瓦伦蒂娜·马特里(Valentina Martelli)，他们曾供职于维也纳理工大学(TU Wien)，现在就职于巴西圣保罗大学(University of Sao Paulo)。其他合著者包括刘嘉川和赖信华，他们都是水稻;Emilian Nica，前莱斯大学教授，现任职于英属哥伦比亚大学;容宇，原莱斯大学教授，现任中国人民大学;马蒂厄·陶平、安德烈·普罗科菲耶夫、戴安娜·盖格、乔纳森·海内尔和胡里奥·拉雷亚，都来自维也纳;佛罗里达大学的凯文·英格森特;德国德累斯顿普朗克固体化学物理研究所的罗伯特·库克勒;以及南非约翰内斯堡大学的Andre Strydom。
这项研究是由美国国家科学基金会支持,罗伯特·韦尔奇基金会陆军研究办公室,奥地利科学基金,欧洲研究理事会的卡洛斯·恰加斯球场基础研究支持里约热内卢州,中国国家自然科学基金、中国科技部,南非国家研究基金会,约翰内斯堡和RCQM大学。
RCQM利用全球合作伙伴关系和20多个水稻研究小组的优势来解决与量子材料有关的问题。RCQM是由莱斯’s办公室的教务长和副教务长的研究，威斯自然科学学院，布朗工程学院，小卷曲研究所和物理系和天文学，电子和计算机工程，材料科学和纳米工程。
新闻旨在传播有益信息，英文原版地址：https://news.rice.edu/2019/08/23/quantum-criticality-could-be-a-boon-for-qubit-designers-2/