1973年，物理学家Philip W. Anderson提出了一种新的物质状态理论，该状态的研究一直是许多领域的主要研究焦点，尤其是在超快量子计算机的竞赛中。

这种物质态被称为量子自旋液态，与名称相反，它与水等日常液体无关。相反，这是完全关于永久磁体以及它们中的电子自旋方式。在普通磁铁中，当温度下降到一定温度以下时，电子就会稳定下来，形成具有磁性的固体物质。而在量子自旋液体中，电子在冷却时不稳定，不会形成固体，并且在最纠缠的量子态之一中不断变化和波动(就像液体一样)。

量子自旋液体的特殊性质使其具有广阔的应用前景，它可用于推进量子技术，例如高温超导体和量子计算机。但还面临有一个主要的障碍：没有人真正看到或验证过量子自旋液态的存在。

现在，由哈佛大学领导的一组物理学家团队，他们终于通过实验记录了这种备受追捧的奇异物质态。这项工作在近期《科学》杂志的一篇论文中得到了详细描述，它标志着我们朝着能够按需产生这种难以捉摸的状态并对其神秘性质获得新的理解迈出了一大步。

哈佛量子计划联合主任、该研究的资深作者之一、哈佛大学物理学教授Mikhail Lukin说：“这是该领域一个非常特殊的时刻。你真的可以触摸到这种奇异的状态，并操纵它以了解它的特性……这是一种人们从未观察到过的新物质状态。”

量子自旋液体的奇异特性可能是创造更强大的量子比特(可以它用来创建拓扑量子比特)的关键，这种量子比特有望抵抗噪声和外部干扰。

哈佛-马克斯普朗克量子光学中心的博士后研究员、该研究的主要作者Giulia Semeghini说：“这是量子计算的一个梦想。学习如何创建和使用这种拓扑量子比特将是朝着实现可靠的量子计算机迈出的重要一步。”

研究人员开始使用可编程量子模拟来观察这种类似液体的物质状态。该模拟器是一种量子计算机，允许研究人员创建可编程的形状，如正方形、蜂窝或三角形晶格，以设计不同超冷原子间的相互作用和纠缠。它还被用于研究许多复杂的量子过程。

使用量子模拟器的原因是因为它能够重现在凝聚态系统中发现的相同微观物理学，尤其是在系统允许可编程的自由度下。

该研究的共同作者物理学教授Subir Sachdev说：“你可以把原子移动到你想要的地方；你可以改变激光的频率；你真的可以改变自然的参数，这是你在之前研究的那些材料中无法做到的。在量子模拟器里，你可以查看每个原子，并看看它在做什么。”

在传统磁铁中，电子自旋以某种规则模式向上或向下。例如，在日常冰箱的磁铁中，所有自旋都指向同一个方向。发生这种情况是因为自旋通常以棋盘格模式工作并且可以配对，以便它们指向相同的方向或交替的方向，并保持一定的顺序。

量子自旋液体不显示任何磁性顺序。发生这种情况本质上是因为添加了第三种自旋，它将棋盘格模式转换为三角形模式。。虽然一对电子总是可以在一个方向或另一个方向上稳定下来，但在三角形中，第三个自旋将始终是奇数电子。这就形成了一个“受挫”的磁铁，其中的电子自旋无法在一个方向上稳定下来。

哈佛科学家使用模拟器创建了受挫晶格图案，并将原子放置在那里进行相互作用和纠缠。在整个结构形成纠缠之后，他们能够测量和分析连接原子的弦。这种弦被称为“拓扑弦”，它的存在和对它的分析表明，量子关联正在发生，物质的量子自旋液态已经出现。

在确认量子自旋液体的存在后，研究人员转向将这种物质态用于创建强大的拓扑量子比特研究。他们进行了一项概念验证测试，结果表明有朝一日可以通过使用模拟器将量子自旋液体放入到特殊的几何阵列中来创建这种量子比特。

研究人员计划继续使用模拟器来研究如何使用量子自旋液体来创建强大的量子比特。量子比特是量子计算机运行的基本构建块，也是其巨大处理能力的来源。Semeghini说：“我们展示了如何创建这种拓扑量子比特的第一步，但我们仍然需要演示如何对其进行实际编码和操作。现在还有很多东西需要探索。”（编译:Qtech）