一种新的物质状态!量子自旋液体

在量子物理学领域有了一个巨大的发现。现实生活中基于实验室的观察一个长期的理论形式的物质称为量子自旋液体。与它的名字相反，它与水等日常液体完全无关。系好你的心理安全带，听哈利·刘易斯(Harry Lewis)与哈佛大学的吉利亚·塞米吉尼(Guilia Semeghini)的谈话，听听这个问题是什么，以及为什么它可能有用……

Guilia -量子自旋液体在50年前由Philip Anderson提出，他是凝聚态物质界的一个大人物。他试图找到一种方法来解释为什么某些超导体，也就是所谓的高温超导体，会存在

高温超导体长期以来一直困扰着物理学家，因为它们在比普通超导体更高的温度下工作，但仍然很冷，我们谈论的是-196摄氏度。

基利亚:通常当你有一个固体时，你会看到原子在某种晶体结构中是有序的，电子也在某种程度上是有序的。

哈利:你所说的晶体，基本上是指一种非常均匀的结构，对吗?有什么可以预测的吗?

基利亚:它们在一个特定的结构中。它可以是方形晶格，也可以是三角形晶格。你可以这样想。

在大多数观察到的物质中，电子要么是“向上自旋”，要么是“向下自旋”，它们喜欢以相反的方式配对。每当你有一个移动的电子产生磁场时，把“上”和“下”想象成有点像磁铁的北极和南极。当电子配对时，它们会抵消彼此的磁场。

基利亚:这是一个磁平衡。我们这样来写。例如，如果你有一个三角形晶格，那么第三个晶格就不知道自己的方向了。

哈利——这是电灯泡。

基利亚:没错。这就是所谓的“挫败感”。第三个电子很沮丧，所以他的想法是电子会选择做一些不同的事情。

哈利——它会选择什么都做，什么都不做，一件事和另一件事同时发生。想想看。这个概念被称为“量子叠加”。

这是一个量子概念，叠加的概念。而不是选择一个方向，他们会创造这种状态，被称为量子自旋液体。

在普通磁铁中，当温度降到足够低时，电子就会稳定下来，形成具有磁性的固体物质。因为电子要么处于自旋向上的状态，要么处于自旋向下的状态。在量子自旋液体中，电子状态的不确定性阻止了冻结。因此，它有一系列不同寻常的新特性，比如，这是另一个，远程量子电子纠缠。

Guilia -意思就是，在同一块材料的另一边的电子，它们在某种程度上是相互联系在一起的。

我的非物理学家朋友们，这太奇怪了。它是远距离作用。改变材料一侧的一个电子的状态会影响到材料另一侧的电子。就像英国的一个双胞胎受伤了，另一个住在澳大利亚的双胞胎发抖一样。经过50年的寻找，Guilia和她的团队第一次观察到，量子自旋液体，就在他们面前的实验室工作台上。

你会看到的是这个真空室，有一个真空装置，一堆镜子，透镜和激光器占据了一个相当大的桌子，如果你用我们使用的显微镜物镜观察真空室，你会看到这些原子的排列。你真的拍下了原子的照片以及它们的样子，它们实际上非常漂亮。

哈利:你是怎么发现这种量子自旋液体的?是什么证明了它就在你身边?

你需要做的是你需要证明我之前提到的这种纠缠。如果它们有特定的性质，如果你看到这些关联，就意味着你有一个量子自旋液体。我们测量了这些，发现它们确实存在。

哈利——但是为什么会有这么多关于量子物质的炒作呢?Guilia所说的是建造难以捉摸的量子计算机的又一步。要是我知道那是什么意思就好了。我们听说过很多关于量子计算机的事情。我们如何定义量子的含义?

量子计算机的基本概念是这样的。当你有一台计算机时，你就有了比特，比特就是你编码信息的系统。它是一个可以有“零”或“一”状态的系统。如果你有一台量子计算机，这些比特就是量子的，称为“量子比特”或“腕尺”。最重要的是，作为量子意味着它们可以以叠加态存在，这就是我之前提到的。一个比特只能是“0”或“1”，而一个量子比特可以处于这两种状态的叠加位置，也可以处于两者之间的任何位置。这意味着它不在0或1，而是在这些状态的叠加中。第二件事是存在纠缠性。如果你有更多的腕尺，它们就会处于纠缠态它们的状态是相互连接的。你不能单独对待他们。 You really need to consider their combined state.

哈利:这对未来的用途真的很有用。

古里亚:我们的想法是，量子计算机可以做传统计算机做不到的事情，因为多亏了这些特性，你基本上可以将量子计算机的计算能力成倍地提高。