有研究人员预测，有朝一日量子计算机将在破解数字加密和设计药物方面创造无穷奇迹。然而，量子计算机的发展仍处于早期阶段，量子算法还有待优化。一些研究人员正试图在亚原子水平上获得对量子计算机的必要控制。“实现这一点非常困难，”哈佛大学物理学家MarkusGreiner说。然而，即使没有成熟的量子计算机，物理学家也在使用一种相关的、更专业的机器，称为量子模拟器（一种特殊的量子计算机）——来模拟量子系统的复杂行为。正如美国理论物理学家理查德费曼在1981年的一次演讲中提到的那样，“自然界不是经典的，如果你想模拟自然界，你最好把它弄成量子力学。”在过去的几年里，来自巴黎、剑桥和马萨诸塞州的研究团队通过使用黑马式的量子模拟器，在量子计算机方面取得了巨大的进步。他们进行了一系列模拟，这些模拟在传统计算机上可能需要数月或更长时间才能完成。最近，剑桥研究小组宣布了他们迄今为止最重要的发现。他们使用量子模拟器检测到一种难以捉摸的物质状态：一种量子自旋液体，它存在于概述物质组织方式的百年范例之外。该研究目前在船上《Science》。1973年，凝聚态先驱、诺贝尔奖得主菲利普·安德森提出了一种新的物态理论，认为物质可以进入一种称为量子自旋液体的奇异状态，其中自旋与磁现象密切相关。一个相关的物理量。量子自旋液体具有广阔的应用前景，可用于量子计算机等技术的发展。量子自旋液体是具有拓扑序的奇异物质相，在过去几十年中一直是物理学的主要焦点。这一相具有长程量子纠缠的特性，可用于实现稳健的量子计算。该研究使用具有219个原子的可编程量子模拟器来探测量子自旋液体。在这项研究中，原子阵列被放置在Kagome晶格的链上，在里德堡封锁下的演化创造了没有局部秩序的受挫量子态。该研究为拓扑物质的可控实验探索和量子信息处理的保障提供了可能。该研究证实了一个将近50年历史的理论，该理论预测了这种奇异状态，并标志着朝着构建真正有用的通用量子计算机的梦想迈出了一步。论文地址：https://www.science.org/doi/10.1126/science.abi8794剑桥组组长米哈伊尔·卢金说：“本质上，我们组装了一个人造晶体。”加州大学伯克利分校的凝聚态理论家EhudAltman说：“如果你看一下超冷原子实验的整个历史，这项研究可能是该领域最令人印象深刻和最具开创性的研究之一。”新的量子计算方法。尽管这种方法落后于超导电路等更流行的量子计算技术，但中性原子具有长期以来令量子工程师着迷的特殊性质。构建量子计算机的关键是组装一组量子比特。量子位必须首先与外界隔离，否则振动和热量会破坏量子间特性。但是，量子位必须既可访问又可操作。支持者说中性原子很好地平衡了这些需求。激光束可以像牵引光束一样捕获和移动原子，保护它们免受外界干扰。额外的激光脉冲可以将原子变成超大里德堡态。至关重要的是，这些中性原子量子位可以同时呈现量子叠加态，并通过量子纠缠（量子计算的两个基本要素）远程相互连接。二十多年来，研究人员一直在扩大对中性原子的控制。一个研究小组在2001年使用激光镊子捕获单个原子，然后在2010年纠缠成对的原子。剑桥和巴黎的研究小组在2016年取得了突破，他们研究了如何控制数十个原子。下一代机器已经达到三位数，使未来的计算机成为强大的量子现象模拟器。2018年，巴黎的一个研究小组将中性原子操纵到埃菲尔铁塔的3D模型中。研究人员一直在使用这些中性原子网格来探测量子物质的相。这些类似于熟悉的液相和固相，但在混合物中添加了叠加和纠缠，以获得更奇异和更复杂的配置。对量子相的探索可能具有实际应用，例如帮助我们了解导致高温超导的原因。凝聚态物理学家使用自然界中发现的晶体及其在实验室中生长的物质来研究这些相。中性原子研究人员可以通过操纵里德伯态将原子精确定位到任何形状的晶格中并设计原子相互作用，从而灵活地“编程”他们的物质。里德堡原子阵列中的二聚体模型。剑桥团队首次直接测量了量子自旋液体的拓扑序。量子自旋液体经历大量纠缠，这一特征导致“拓扑”有序，因为单个粒子可以感知系统的整体拓扑或几何形状。例如，在冰块上打一个洞，它就会保持冻结状态。但相比之下，通过移除量子自旋液体中心的原子，系统的性质可能会发生改变。这使得量子自旋液体成为一类新物质。不同的研究小组发现了量子自旋液体的间接暗示，例如论文《Colloquium: Herbertsmithite and the search for the quantum spin liquid》中的矿物Herbertsmithite，其晶体结构特别不适合原子。然而，直接确认一种材料的状态为量子自旋液体几乎是不可能的，因为它的定义纠缠和相关??的拓扑序列不能在一个点上测量。论文地址：https://journals.aps.org/rmp/abstract/10.1103/RevModPhys.88.041002剑桥团队使用量子模拟器获得鸟瞰图。他们首先将中性原子编程为表现得像Herbertsmithite中的原子，其中开-关里德堡态代表自旋。然后，他们测量了原子环和弦上的里德堡态，以获得对纠缠相关性的非局部观测。由此，他们首次直接测量了量子自旋液体的拓扑序。拓扑序相（phaseofmatter）的第一个确定性发现——分数量子霍尔效应（fractionalquantumhalleffect）获得1998年诺贝尔物理学奖（普林斯顿大学崔琦、哥伦比亚大学霍斯特·路德维希·斯特罗默和斯坦福大学的罗伯特劳克林）。“这种对量子自旋液体的探索——在我看来，这是一个非常特殊的时刻，”卢金说。有关更多详细信息，请参阅原始论文。
