粒子、原子、分子、甚至像磁铁这样的宏观物体之间的力是由自然界的相互作用决定的。例如，两个紧密放置的条形磁铁在磁力的影响下会重新排列。由德国海德堡大学量子动力学中心的Matthias Weidemüller教授和Gerhard Zürn博士领导的一个研究团队，现在他们不仅成功地改变了微观量子磁体间相互作用的强度，而且还改变了它们之间被称为“自旋”的相互作用性质。这种特别制备的磁铁不会陷入完全无序的状态，而是可以长时间保持其原始方向。有了这些发现，海德堡大学的物理学家成功地演示了对孤立量子系统中自旋相互作用的可编程控制。

当磁性系统以不稳定的配置制备时，它们会表现出令人惊讶的行为。例如，将一组空间无序的磁偶极子(例如条形磁体)限制在同一方向上对齐，将导致磁体后续会进行重新定向。这会最终导致所有磁铁随机取向的平衡。虽然过去大多数研究仅限于经典的磁偶极子，但现在可以使用量子模拟器来扩展出研究量子磁体的方法。合成原子系统能在极其可控的环境中模拟磁的基本物理现象，而且在该环境中几乎可以随意的调整所有相关参数。

在他们的量子模拟实验中，研究人员使用了一种被冷却到接近绝对零度的原子气体。通过使用激光，原子被激发到极高的电子态，并将电子与原子核隔开到了几乎宏观的距离。这些“原子巨人”，也称为里德堡原子，它们在几乎有头发宽的距离内进行相互作用。Nithiwadee Thaicharoen博士她是海德堡大学物理研究所Weidemüller教授团队的一名博士后，她说：“里德堡原子系综表现出与相互作用的无序量子磁体完全相同的特性，这使其成为模拟和探索量子磁性的理想平台。” 

在他们的实验中，研究人员应用了特别设计的周期性微波脉冲来改变原子的自旋。主要的挑战是使用了一种被称为Floquet工程的技术来精确控制原子自旋间的相互作用。该团队的博士后Clément Hainaut说：“微波脉冲必须以十亿分之一秒的时间尺度施加到里德堡原子上。同时这些原子对任何外部扰动都非常敏感，无论它多么微小，哪怕是微小的电场等。尽管如此，我们还是通过我们的控制方法成功地阻止了自旋进行看似不可避免的重新定向，并在宏观上保持了磁化。” 

博士生Sebastian Geier补充道：“使用我们的Floquet工程方法应该可以逆转系统的时间线，使得自旋系统在经历了非常复杂的动态演化后再反转其演化。这就像一块破碎的玻璃在撞到地板后又神奇地重新组装了自己。”这些研究是朝着更好地理解复杂量子系统中的基本过程迈出的重要一步。Matthias Weidemüller教授总结道：“在第一次和第二次量子革命导致了对系统的理解和对单个物体的精确控制之后，我们相信我们以可编程的方式来动态调控相互作用的技术将为量子技术3.0开辟道路。”（编译:Qtech）