物理学家刚刚为我们带来了“量子自旋液体”，一种奇怪的新物质状态

固体由或多或少被锁定在有序结构中的原子组成。另一方面，液体由可以自由流动和相互交错的原子组成。但想象一下保持不冻结的原子，就像液体中的原子一样——但它们处于不断变化的磁性混乱之中。

你所得到的是一种前所未见的物质状态，一种被称为量子自旋液体的量子奇异状态。现在，通过精心操纵原子，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自旋液体的理论。“但当哈佛大学的理论学家们终于找到了一种真正生成量子自旋液体的方法时，我们才真正对此产生了浓厚的兴趣，”哈佛大学物理学家、博士后 Giulia Semeghini 说道，她负责协调这项研究项目，也是论文的作者之一。

在地球上通常不会出现的极端条件下，量子力学规则可以将原子扭曲成各种奇异的物质。例如，在白矮星或中子星等死星的中心发现的简并物质，极端压力将原子加热成亚原子粒子的浆液。或者，还有玻色-爱因斯坦凝聚态，其中多个原子在极低温度下合并在一起（它的创造获得了 2001 年诺贝尔物理学奖）。

量子自旋液体是这一系列神秘状态中的最新成员。其原子不会冻结成任何有序状态，而且它们不断变化。

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名称中的“自旋”是指每个粒子固有的属性——向上或向下——这会产生磁场。在普通磁铁中，所有自旋都以精确的顺​​序指向上或下。另一方面，在量子自旋液体中，图中存在第三个自旋。这阻止了相干磁场的形成。

这与量子力学的深奥规则相结合，意味着自旋始终处于不同的位置。如果你只观察几个粒子，很难判断是否有量子液体，或者如果有，它有什么特性。

量子自旋液体最早由物理学家 Philip W. Anderson 于 1973 年提出，此后物理学家们一直在努力研究这一问题。“许多不同的实验……试图创造和观察这种状态。但这实际上非常具有挑战性，”哈佛大学物理学家、论文作者之一 Mikhail Lukin 说道。

哈佛大学的研究人员在他们的武器库中有了一个新的工具：他们称之为“可编程量子模拟器”。本质上，它是一台可以让他们玩弄单个原子的机器。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上移动原子。

“我们可以单独控制每个原子的位置，”Semeghini 说道。“我们可以将它们单独定位成我们想要的任何形状或形式。”

此外，为了真正确定他们是否成功创造了量子自旋液体，研究人员利用了所谓的量子纠缠。他们给原子注入能量，原子开始相互作用：一个原子的性质变化会反映在另一个原子上。通过观察这些联系，科学家们找到了他们需要的确认。

这一切似乎都是为了抽象物质而创造抽象物质——但这正是吸引力所在。“我们可以触摸它、戳它、玩它，甚至以某种方式与这种状态对话、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。”

但科学家确实认为量子自旋液体也有很有价值的应用。只要涉足量子计算机领域就可以了。

量子计算机有潜力远远超越传统计算机。与当今的计算机相比，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。

但科学家用来构建量子计算机的模块却有些不尽如人意。这些模块被称为量子比特，通常是单个粒子或原子核之类的东西，它们对最细微的噪音或温度波动都很敏感。量子自旋液体的信息存储在它们的排列方式中，因此可能不是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用作量子比特，那么这将带来一种全新类型的量子计算机。