量子自旋液体博士毕业论文

几十年来，量子自旋液体仅作为一种理论存在。

固体由或多或少锁定在有序结构中的原子组成。另一方面，液体是由原子构成的，这些原子可以自由地相互流动和流过。但是想象一下未冻结的原子，就像那些在液体中的原子——但它们处于不断变化的磁性混乱中。

那么你所拥有的是一种前所未见的物质状态，一种称为量子自旋液体的量子怪异状态。现在，通过仔细操纵原子，研究人员已经成功地在实验室中创造了这种状态。研究人员于 12 月 2 日在《 科学 》杂志上发表了他们的研究成果。

多年来，科学家们一直在讨论有关自旋液体的理论。“但是，当这些在哈佛的理论家终于找到了一种实际产生量子自旋液体的方法时，我们真的对此非常感兴趣，”哈佛大学的物理学家和博士后Giulia Semeghini说，他协调了该研究项目，也是其中之一。论文作者。

在地球上不常见的极端条件下，量子力学规则可以将原子扭曲成各种奇异的东西。以在白矮星或中子星等死星的心脏中发现的简并物质为例，在那里极端压力将原子煮成亚原子粒子的浆液。或者，另一种是玻色-爱因斯坦凝聚，其中多个原子在极低的温度下融合在一起形成一个整体（它的创造获得了2001 年诺贝尔物理学奖）。

量子自旋液体是该神秘状态的最新条目。它的原子不会冻结成任何有序的状态，而且它们一直在变化。

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名称中的“自旋”指的是每个粒子固有的特性——向上或向下——它会产生磁场。在普通的磁铁中，所有的自旋都按照仔细的顺序向上或向下。另一方面，在量子自旋液体中，图片中有第三次自旋。这可以防止形成相干磁场。

这与量子力学的深奥规则相结合，意味着自旋总是同时处于不同的位置。如果你只看几个粒子，很难判断你是否有量子液体，或者如果有的话，它有什么特性。

1973 年，一位名叫菲利普·W·安德森的物理学家首次提出了量子自旋液体的理论，从那时起，物理学家们一直在努力解决这个问题。“许多不同的实验……试图创造和观察这种状态。但事实证明，这实际上非常具有挑战性，”论文作者之一、哈佛大学的物理学家米哈伊尔·卢金( Mikhail Lukin)说。

哈佛大学的研究人员在他们的武器库中有一个新工具：他们称之为“可编程量子模拟器”。从本质上讲，它是一台机器，可以让他们玩弄单个原子。使用专门聚焦的激光束，研究人员可以像白板上的磁铁一样在二维网格周围移动原子。

“我们可以单独控制每个原子的位置，”Semeghini 说。“我们可以将它们单独放置在我们想要的任何形状或形式中。”

此外，为了真正确定他们是否成功地创造了一种量子自旋液体，研究人员利用了一种叫做量子纠缠的东西。它们激发了原子，原子开始相互作用：一个原子性质的变化会反映在另一个原子上。通过查看这些联系，科学家们找到了他们需要的确认。

所有这一切似乎都像是为了抽象事物而创造抽象事物——但这就是吸引力的一部分。“我们可以触摸它、戳它、玩它，甚至以某种方式与这种状态交谈、操纵它，让它做我们想做的事，”卢金说。“这才是真正令人兴奋的地方。”

但科学家们确实认为量子自旋液体也有有价值的应用。只是冒险进入量子计算机领域。

量子计算机具有远远超越传统计算机的潜力。与今天的计算机相比，量子计算机可以更好地模拟分子等系统，并更快地完成某些计算。

但是科学家用作量子计算机的构建块的东西可能会有一些不足之处。这些块，称为量子位，通常是单个粒子或原子核之类的东西——它们对最轻微的噪音或温度波动很敏感。量子自旋液体的信息存储在它们的排列方式中，可能是不那么挑剔的量子比特。

Semeghini 说，如果研究人员能够证明量子自旋液体可以用作量子位，那么它可能会导致一种全新的量子计