在原子和电子的量子世界中，如果容器不光滑，被限制在由电场和磁场构成的容器中的粒子可能会卡在原位，就像一个碗装的蛋糕面糊。当这个“碗”有粗糙、无序、随机的特性时，粒子就无法下定决心走哪条路，而是保持原地不动。奇怪的是，即使允许一堆这些局部化粒子相互影响，它们也可以设法保持局部化状态，它们不会交换能量并能避免系统达到热平衡。这种被称为多体定位(MBL)的效应赋予了粒子一种关于它们初始位置的记忆。

现在，科学家们找到了一种新方法来制造不会消失的干扰。他们没有依靠无序将物体冻结到位，而是将量子粒子的容器倾斜到一侧，这是一种在实验室中更容易实现的技巧。马里兰大学学院市分校Christopher Monroe教授的实验组与联合量子研究所(JQI)研究员Alexey Gorshkov的理论组进行合作，通过使用捕获的离子来实施这项新方法，他们确认能阻止了容器中的量子粒子达到平衡。他们的这一研究结果发表在最近的《自然》期刊上。

马里兰大学物理学前研究生(现在是QuEra Computing的研究科学家)、负责该工作的理论物理学家Fangli Liu说：“这种多体定位方法的一个优点是我们不需要这种混乱。在初始系统中，无序是以随机形式实现的。但是使用这种方法，每次进行测量时都会得到完全相同的结果。这使我们有可能更有效地利用这种多体定位来做某些有趣的事情。”

JQI实验中的干扰不是颜色(就像面团的例子)或温度(房间中有空气)，而是离子的自旋——它们内部的小磁铁可以指向上或向下(或同时指向上或下，如在量子叠加态中)。这些离子自旋位于一个形状不像碗而是像一排鸡蛋盒的容器中，每个离子位于容器的不同凹坑中。通常情况下，在经过一段时间后，所有自旋都会一致地指向同一方向，没有关于每个旋转开始时是指向上还是指向下的记忆。

通过单独控制离子，科学家们可以准备一个指向上而其余指向下的自旋。利用扁平的“鸡蛋盒”容器(就像它坐在桌子上一样)，单个自旋扰动可以在离子之间跳跃，与邻居“交谈”并最终导致所有离子一致同意形成统一的配置。在传统的多体定位中，随机性和无序性占主导地位，蛋盒凹坑以随机方式相互上下偏移，使每个自旋都瘫痪在它的位置上。

该团队没有去增加混乱状态，而是选择倾斜鸡蛋盒的方法，以平滑且一致的方式将每个凹坑偏移得比左边的邻居高一点。这导致了自旋变得局部化，但原因非常不同。量子粒子具有波的特性，一旦它们开始沿倾斜方向向下滚动，就会被“鸡蛋盒”凹坑的边缘反弹回来。因此，它们永远不会滚下坡，而是一次又一次地滚下来后又被反弹回来，这种方法将它们限制在了容器的一个小区域内。

对于单个粒子，这种“钉扎机制”自上世纪30年代以来就已为人所知。但是直到最近才被在许多粒子之间的相互作用和停止平衡的情况下探索它是否会持续存在。事实上，倾斜“鸡蛋盒”会导致平衡破坏的想法直到2019年才被提出。

JQI团队在他们的实验中证实了这一点。通过使用紧密聚焦的激光，他们能单独调整每个离子并将它们准备在高度受干扰的状态，自旋指向交替的方向。同时，他们有额外的激光照射在所有的离子上，使它们即使相隔很远也能相互“交谈”。该研究小组发现，如果倾斜角度足够大，离子的自旋会在很长一段时间内保持其初始配置，拒绝屈服于平衡。

除了概念上的飞跃，创建无序的MBL可能会带来某些实际上的优势。首先，在实验上实现平滑倾斜更容易(实际上无论是否愿意，JQI实验中都存在小的倾斜)。其次，它使测量更加直接。第三，这种方法不受MBL意外故障的影响。在常规的基于无序的MBL中，凹坑的随机偏移量需要很大。如果不是这样子，则局部化可能会在某些地方崩溃并整个都受到传染。如果倾斜平稳，则没有这种风险。

这开启了使用多体定位来创建鲁棒性记忆的可能性。MBL可能有助于在未来的量子计算机中维护量子信息，或有助于保存诸如时间晶体或拓扑相之类的奇异性。

在过去的一年里，有另外两个实现这种方法的实验研究报道。中国杭州的H. Wang团队使用超导量子比特建立了它，德国慕尼黑的Monika Aidelburger团队使用超冷原子也实现了这一目标。然而，JQI小组是唯一一个有证明多体定位的另一个关键特性的小组：离子间的纠缠传播的很缓慢。JQI小团队使用了一种源自核磁共振成像的技术来测量纠缠在原子上扩散的速度，这是MBL的一个标志。（编译:Qtech）