量子计算的前景被广泛讨论，研究者们预测未来或能在加密破解与药物设计等领域带来突破。尽管现阶段量子计算机尚处于早期阶段，量子算法仍需进一步优化，科学家们正探索在亚原子尺度上对量子系统进行精确控制。
哈佛大学物理学家 MaRkUS GREINeR 表示：“实现这一目标具有极大挑战性。”
在成熟的量子计算机尚未普及的情况下，物理学家们利用量子模拟器等专用设备来再现复杂的量子行为。
正如 1981 年的一次演讲所言：“自然界并非经典，为了模拟自然，最好让它成为量子力学。”
近些年，巴黎、剑桥与马萨诸塞州的研究团队通过 daRk-Horse 型量子模拟器，在量子计算领域取得显著进展，完成了一系列在经典计算机上需耗时数月的模拟任务。
近期，剑桥研究小组公布了迄今最重要的发现。该小组由来自哈佛 Lukin 团队、GREINeR 实验室以及麻省理工学院 Vuletić 团队共同参与，借助量子模拟器检测到一种非同寻常的物质态：量子自旋液体。这一成果首次公开报道，相关工作发表于知名期刊。
1973 年，凝聚态物质的奠基者之一、诺贝尔奖获得者 PHilIP AndeRson 提出了一种新物态理论，即物质可能进入量子自旋液体这一奇异状态，其中自旋与磁现象密切相关。量子自旋液体具备广阔应用前景，可能推动量子计算等技术的发展。
量子自旋液体是具有拓扑顺序的奇异相，长期以来一直是物理学研究的重点。此相态具备长程量子纠缠，有望用于实现稳健的量子计算。研究使用可编程量子模拟器，含219个原子，探测量子自旋液体。在实验中，原子阵列排列在特定晶格上，受里德堡阻塞效应驱动的演化产生无局部秩序的受挫量子态，为拓扑物质的可控实验研究和量子信息处理带来新可能。
这项研究验证了一类有着近半世纪历史的理论预测，向建立真正通用的量子计算机迈出重要一步。
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剑桥小组负责人 MikhAIl Lukin 表示：“基本上，我们组装了一块人造晶体。”
加州大学伯克利分校的凝聚态理论家 Ehud AltMan 称：“若回顾超冷原子实验的历史，这可能是该领域最具影响力与开创性的实验之一。”
中性原子
该研究采用基于中性原子的量子计算新方法。尽管相较于超导电路等技术仍有差距，中性原子具备独特优势，长期对量子工程有吸引力。
构建量子计算机的核心在于整合一组量子比特。量子比特需要与外界保持一定隔离，同时又要具备可访问性与可操作性。
支持者指出，中性原子能够在这两者之间取得平衡。激光束可捕获并搬运原子，保护它们免受外部干扰；进一步的激光脉冲可将原子提升至里德堡态。关键是，这些量子比特既能实现叠加态，又能通过量子纠缠实现远程连接。
长期以来，研究人员持续提升对中性原子的控制。2001 年首次用激光镊子捕获单原子，2010 年实现原子纠缠对；剑桥与巴黎团队在 2016 年实现对数十个原子的控制。下一代设备已经达到三位数规模，使量子现象的模拟成为可能。
2018 年，巴黎研究小组将中性原子组装成埃菲尔铁塔的三维模型。
研究人员一直利用中性原子网格探测量子物质的相态，这些相态类似于我们熟悉的液体与固体相，但叠加与纠缠的引入使其更为复杂与新奇。量子相的研究有望直接促进高温超导等领域的理解与应用。
凝聚态物理学家通过自然晶体及其在实验室中的人造材料来研究这些相态。中性原子研究者则可以通过操纵里德堡态，在任意晶格中定位原子、设计原子间相互作用，进行“编程”式探索。
里德堡原子阵列中的二聚体模型示意图。
剑桥团队首次直接测量量子自旋液体的拓扑序列
量子自旋液体经历大量纠缠，形成拓扑序列。这意味着单个粒子对系统整体拓扑或几何结构的感知能力。举例而言，洞穿冰块仍保持冻结状态，但若移除自旋液体中心的原子，系统性质可能发生改变，从而使量子自旋液体成为新型物质。
不同研究组已发现量子自旋液体的间接暗示。论文 Colloquium: Herbert Smithite and the Search for the quantum spin liquid 中描述的矿物 Herbert Smithite 不适合直接作为原子材料使用，然而直接将某材料状态等同于量子自旋液体几乎不可能，因为其纠缠与拓扑序无法在某一时刻完整测定。
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剑桥团队通过量子模拟器获得鸟瞰图。首先让中性原子按计划表现为晶体中的原子，里德堡态在 on-FF 状态下代表自旋。随后测量原子环与原子串的里德堡态，得到纠缠相关的非局部观察，首次直接测量量子自旋液体的拓扑序列。
拓扑序的首次明确发现曾被视为分数量子霍尔效应的里程碑之一，1988 年获得诺贝尔物理学奖相关荣誉的前瞻性研究之一。
“这次对量子自旋液体的探索，在我看来是一个极具特殊意义的时刻。”Lukin 如是说。
如需了解更多细节，请参考原文论文。
