探索量子计算的步骤

1973年，物理学家菲利普·w·安德森(Philip W. Anderson)提出了一种新的物质状态的理论，这一直是该领域的一个主要焦点，尤其是在超快量子计算机的竞赛中。

它被称为量子自旋液体，与名字相反，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)。

量子自旋液体的特殊性质为量子技术的发展提供了前景，如高温超导体和量子计算机。但有一个主要的障碍:没有人真正看到或证实过量子自旋液态的存在。直到现在。一个由哈佛大学(harvard)领导的物理学家团队表示，他们终于通过实验证明了这种备受追捧的奇特物质状态。《科学》(Science)杂志上的一项新研究描述了这项工作，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，并对其神秘的本质获得了全新的理解。

“这是该领域一个非常特殊的时刻，”哈佛量子计划(Harvard Quantum Initiative)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米哈伊尔·卢金(Mikhail Lukin)说。“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。这是一种人们从未观测到的物质的新状态。”

量子自旋液体的奇异特性可能是创造更强大的量子比特的关键——被称为拓扑量子位，预计它们可以抵抗噪音和外部干扰。

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

研究人员开始使用实验室2017年开发的可编程量子模拟器来观察这种液体状的物质状态。该模拟器是一种量子计算机，允许研究人员创建可编程的形状，如方形、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，特别是在系统的可编程性允许的自由下。

“你可以把原子分开，想多远就多远;你可以改变激光的频率;你可以真正地改变自然界的参数，这是你在之前研究这些东西的材料中无法做到的，”研究合著者Subir Sachdev, Herchel Smith物理学教授和高级研究所现任Maureen和John Hendricks特约访问教授。“在这里，你可以观察每个原子，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，自旋都指向同一个方向。这是因为自旋通常以棋盘格模式工作，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，电子自旋无法在单一方向上稳定。

Semeghini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，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，他们能够测量和分析连接原子的弦。这些被称为拓扑弦的弦的存在和分析表明，量子关联正在发生，物质的量子自旋液态已经出现。

这项工作建立在萨克德夫和他的研究生莱茵·萨马杰达尔早期的理论预测，以及哈佛物理学教授阿什文·维什瓦纳特和HQI博士后研究员鲁本·维勒森的具体提议之上。该实验是与马克斯·普朗克-哈佛量子光学研究中心联合主任、乔治·瓦斯默·莱弗里特物理学教授马库斯·格里纳的实验室以及来自因斯布鲁克大学和波士顿奎拉计算学院的科学家合作完成的。

“那是一个美丽的时刻，当原子的快照，和预期的二聚体结构盯着我们的脸，”Verresen说。“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，研究人员转向可能应用这种物质状态来创造强大的量子位。他们进行了一个概念验证测试，表明有一天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。

研究人员计划继续与该模拟器的工作，以研究如何确切地利用量子自旋液体来创建强大的量子位。量子位是量子计算机赖以运行的基本构件，也是其巨大处理能力的来源。

Semeghini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。”“现在还有很多东西有待探索。”

这项工作得到了超冷原子中心、美国能源部量子系统加速器、海军研究办公室、陆军研究办公室MURI、DARPA ONISQ项目、QuEra计算和亚马逊网络服务的支持。

文章旨在传播新闻信息，原文请查看https://news.harvard.edu/gazette/story/2021/12/harvard-led-team-takes-step-in-quest-for-quantum-computing/