有研究者預測，總有一天量子計算機在破解數字加密、設計藥物等方面會創(chuàng)造出無窮無盡的奇跡。然而，目前量子計算機的發(fā)展還處于早期階段，量子算法還有待優(yōu)化。一些研究人員嘗試在亞原子級別對量子計算機進行必要的控制。

　　哈佛大學物理學家 Markus Greiner 表示：「實現(xiàn)這一目標是非常艱巨的。」

　　然而，即使沒有成熟的量子計算機，物理學家們也在使用相關的、更專業(yè)的機器類型——量子模擬器（一種特殊的量子計算機）——來模擬量子系統(tǒng)的復雜行為。

　　正如美國理論物理學家 Richard Feynman 在 1981 年一次演講中所提到的，「自然不是經典的，如果你想模擬自然，你最好讓它成為量子力學?！?/p>

　　過去幾年，來自巴黎、劍橋和馬薩諸塞州的研究小組通過使用 dark-horse 型量子模擬器，在量子計算機方面取得了巨大進展。他們做了一系列模擬，而這些模擬在經典計算機中需要耗時幾個月甚至更長的時間才能完成。

　　近日，劍橋研究小組公布了他們迄今為止最重要的發(fā)現(xiàn)，該小組包括來自哈佛大學 Lukin 領導的團隊、Greiner 領導的實驗室、MIT Vladan Vuleti?領導的研究小組組成。他們使用量子模擬器檢測到一種難以捉摸的物質狀態(tài)：量子自旋液體，它存在于概述物質組織方式的百年范式之外。目前該研究登上《Science》。

　　1973 年，凝聚態(tài)物質先驅以及諾貝爾獎獲得者 Philip Anderson 提出了一種新的物質狀態(tài)理論，即物質可能會進入一種稱為量子自旋液體的奇異狀態(tài)，其中自旋是與磁現(xiàn)象密切相關的一個物理量。量子自旋液體具有廣闊的應用前景，可用于量子計算機等技術的發(fā)展。

　　量子自旋液體是具有拓撲順序的奇異物質相，在過去的幾十年里一直是物理學的主要焦點。這種相具有長程量子糾纏特性，有可能被用來實現(xiàn)穩(wěn)健的量子計算。該研究使用具有 219 個原子的可編程量子模擬器來探測量子自旋液體。在此研究中，原子陣列被放置在 Kagome 晶格的鏈上，并且在里德堡 blockade 下的演變創(chuàng)造了沒有局部秩序的受挫量子態(tài)。該研究為拓撲物質的可控實驗探索和保護量子信息處理提供了可能。

　　該研究證實了一個有近 50 年歷史、預測了這種奇異狀態(tài)的理論，這也標志著朝著構建真正有用的通用量子計算機的夢想邁進了一步。

　　劍橋小組的負責人 Mikhail Lukin 表示：「基本上，我們組裝了一塊人造晶體。」

　　加州大學伯克利分校的凝聚態(tài)理論家 Ehud Altman 表示：「如果縱觀超冷原子實驗的整個歷史，該研究可能是該領域最令人印象深刻和開創(chuàng)性的實驗之一?！?/p>

　　中性原子

　　這項研究使用了一種基于中性原子的新型量子計算方法。盡管該方法落后于超導電路等更流行的量子計算技術，但中性原子具有的特殊性質長期以來一直吸引著量子工程師。

　　構建量子計算機的關鍵是組裝一組量子比特。量子比特必須首先與外部世界隔離，否則振動和熱量會摧毀量子之間的特性。然而，量子比特必須同時具有可訪問性和可操作性。

　　支持者說，中性原子能很好地平衡這些需求。激光束可以像牽引光束一樣捕獲和移動原子，保護它們免受外部干擾。額外的激光脈沖可以將原子變成超大的里德堡態(tài)。至關重要的是，這些中性原子量子比特可以同時假設量子疊加，還可以通過量子糾纏（量子計算的兩個基本要素）遠程相互連接。

　　二十多年來，研究人員一直在擴大對中性原子的控制。有研究小組在 2001 年用激光鑷子（tweezers）捕獲了單個原子，然后在 2010 年捕獲原子糾纏對。劍橋和巴黎的研究小組在 2016 年取得了突破性進展，他們研究了如何對數十個原子進行控制。下一代機器已經達到了三位數，這使得未來的計算機成為量子現(xiàn)象的強大模擬器。

　　2018 年，巴黎研究小組將中性原子操縱成埃菲爾鐵塔的 3D 模型。

　　研究人員一直在使用這些中性原子網格來探測量子物質的相。這些就像我們熟悉的液體和固體相，但在混合中加入了疊加和糾纏，以實現(xiàn)更奇特和復雜的配置。量子相的探索可以有實際應用，例如幫助我們了解導致高溫超導的原因。

　　凝聚態(tài)物理學家使用自然界中發(fā)現(xiàn)的晶體及其在實驗室中生長的物質來研究這些相。中性原子研究人員可以靈活地「編程」他們的物質，通過操縱里德堡態(tài)將原子精確地定位到任何形狀的晶格中并設計原子相互作用。

　　里德堡原子陣列中的二聚體模型。

　　劍橋團隊首次直接測量量子自旋液體的拓撲序列

　　量子自旋液體經歷了大量的糾纏，這一特征導致了「拓撲」序列，這是由于單個粒子可以感知系統(tǒng)的整體拓撲或幾何形狀。舉個例子，在冰塊上穿一個洞，它依然保持凍結狀態(tài)。但與之不同，移除量子自旋液體中心的原子，系統(tǒng)的特性可能會發(fā)生變換。這使得量子自旋液體成為一類新的物質。

　　不同的研究團隊都發(fā)現(xiàn)了量子自旋液體的間接暗示（indirect hint），如論文《Colloquium: Herbertsmithite and the search for the quantum spin liquid》中的礦物 Herbertsmithite，它的晶體結構尤其不適用于原子。但是，將一種材料的狀態(tài)直接確認為量子自旋液體是幾乎不可能的，因為它的定義糾纏和相關拓撲序列無法在某一點測量。

　　論文地址：https://journals.aps.org/rmp/abstract/10.1103/RevModPhys.88.041002

　　劍橋團隊使用量子模擬器獲得了鳥瞰圖（bird’s-eye view）。他們首先使用對中性原子進行編程，使其表現(xiàn)得像 Herbertsmithite 中的原子，其中 on-ff 里德堡態(tài)（Rydberg state）代表自旋。然后，他們測量了整個原子環(huán)和原子串的里德堡態(tài)，以獲得糾纏相關的非局部觀察。由此，他們首次直接測量了量子自旋液體的拓撲序列。

　　拓撲序列物相（phase of matter）的首次明確發(fā)現(xiàn)——分數量子霍爾效應（fractional quantum hall effect）贏得了 1998 年的諾貝爾物理獎（由美國普林斯頓大學的崔琦、哥倫比亞大學的霍斯特 · 路德維希 · 施特默及斯坦福大學的羅伯特 · 勞克林三人獲得）。

　　「這次對量子自旋液體的探索——在我看來，這是一個非常特殊的時刻，」Lukin 表示。