量子科学不但加深了人类对物质结构及其微观相互作用的理解，还引入了新的计算和信息科学范式— 量子计算和模拟；而一个有关量子信息学的研究在近日更获得了2022年诺贝尔物理学奖。在众多量子模拟实验平台中，里德堡原子阵列（Rydberg atom arrays） 因其量子比特数最多、实验精确度最高，被认为是近年的可编程量子模拟器平台中最有希望展现量子优越性的量子计算和模拟系统。

这种光晶格阵列由中性碱土原子组成，而这原子具有较大的偶极矩（dipole moments），被排布在微观偶极阱阵列中（microscopic dipole traps），科学家因而可以随意移动其位置设计成适用在研究上的晶格结构。每个原子都可以由外加的激光或微波被激发到它的里德堡态，而每双激发态会通过它们的偶极矩产生远距离相互作用，实现各种复杂的量子多体现象（见图二）。随着里德堡原子阵列实验研究的快速发展，这个实验平台在探求复杂多体系统中的新奇量子纠缠物态方面也展现出优势。通过里德堡原子阵列实现新奇量子相变和拓扑序等实验工作正受世界广泛关注。

然而，里德堡阵列中的远程相互作用和里德堡封锁（Rydberg blockade）机制有利亦有弊。一方面，它们确实带来前面所提及的实验量子控制的高精密度，但另一方面，它们对系统的建模施加了更多的约束条件，而这类量子约束多体系统，无论从理论理解还是数值计算角度来看都十分难以理解。可是，倘若对系统相图（complete phase diagram）和新奇纠缠量子物态的精确性理解不足，都会对进一步进行实验探索造成困难——这可说是该领域的科学家正面临的巨大难题。

最近，由香港大学（港大）物理学系的研究助理教授严正、副教授孟子杨，与来自哈佛大学的著名理论物理学家兼美国科学院院士Subir SACHDEV教授以及其学生Rhine SAMAJDAR博士（目前是普林斯顿大学博士后研究员），加上北航杭州创新研究院（余杭）/中法航空大学（筹建中）的王艳成研究员所组成的五人研究团队克服了种种困难，对里德堡原子阵列中的新奇量子纠缠物相和相变作了强而有力的回答，相关研究成果已于权威科学学术期刊《自然通讯》（Nature Communications）中发表。

团队设计了一种新且具有软约束的三角形晶格量子二聚体模型，使其尽可能接近里德堡原子阵列的实验条件，并发展了相应的扫描团簇量子蒙特卡洛算法（Sweeping Cluster Algorithm），可以有效地求解这种软约束的量子多体系统。他们的模拟和理论分析成功地绘制出具有强阻挫和强纠缠效应的Kagome晶格上里德堡阵列的预期物态变化相图（如图三所示）。团队不仅发现了常规的向列固态和交错固态相和顺磁态（paramagnetic phase, PM），而且在相图中还发现了新奇纠缠量子物态— 两种Z2量子自旋液体（quantum spin liquid, QSL）。

他们通过设计一些非局域测量量（弦算符）和其他物理观测量，在量子蒙特卡洛计算中来识别这些高度纠缠的拓扑相，成功区分了不同物相（如图三所示），他们的结果区分模型中常规物态如顺磁态（paramagnetic phase, PM）和量子纠缠物态— 量子自旋液体（QSL） 的参数范围，这对往后部署进行里德堡阵列实验非常有用。此外，他们还研究了Z2量子自旋液体中分数化激发准粒子的动力学和相互作用，为进一步实验提供了更多可能的证据。