量子臨界性可能是量子比特設(shè)計(jì)者的福音

研究重金屬費(fèi)米子的金屬合金的奇怪行為的物理學(xué)家做出了一個(gè)令人驚訝的發(fā)現(xiàn)，該發(fā)現(xiàn)對(duì)于保護(hù)量子位或量子位中存儲(chǔ)的信息非常有用，量子位是量子計(jì)算機(jī)中編碼信息的基本單位。

在《美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊》上的一項(xiàng)研究中，來(lái)自萊斯大學(xué)和奧地利維也納技術(shù)大學(xué)(TU Wien)的研究人員檢查了鈰，鈀和硅的金屬間晶體在極冷和高溫下的行為。強(qiáng)磁場(chǎng)。令他們驚訝的是，他們發(fā)現(xiàn)可以用兩種獨(dú)特的方式改變材料的量子行為，一種方式是電子競(jìng)爭(zhēng)占據(jù)軌道，而另一種方式競(jìng)爭(zhēng)占據(jù)自旋態(tài)。

賴斯的共同通訊作者，賴斯量子材料中心(RCQM)主任說(shuō)：“這種效果在一個(gè)自由度上是如此明顯，以至于最終解放了另一個(gè)。” “您實(shí)質(zhì)上可以調(diào)整系統(tǒng)，以最大程度地破壞其中一個(gè)，而使另一個(gè)定義明確。”

Si表示，這一結(jié)果對(duì)于像谷歌，IBM，英特爾和其他競(jìng)爭(zhēng)開(kāi)發(fā)量子計(jì)算機(jī)的公司來(lái)說(shuō)可能是重要的。與當(dāng)今使用電或光來(lái)編碼信息的數(shù)字計(jì)算機(jī)不同，量子計(jì)算機(jī)使用亞原子粒子(如電子)的量子態(tài)將信息存儲(chǔ)在量子位中。實(shí)用的量子計(jì)算機(jī)可以在許多方面超過(guò)其數(shù)字同類產(chǎn)品，但該技術(shù)仍處于起步階段，主要障礙之一是量子位內(nèi)部量子態(tài)的脆弱性。

Si說(shuō)：“如果希望確保量子位中存儲(chǔ)的信息不會(huì)因背景干擾而改變，則需要定義明確的量子態(tài)。”

每個(gè)電子都像旋轉(zhuǎn)的磁鐵一樣工作，其自旋用兩個(gè)值(向上或向下)之一描述。在許多量子位設(shè)計(jì)中，信息是在這些自旋中編碼的，但是這些狀態(tài)非常脆弱，以至于即使極少量的光，熱，振動(dòng)或聲音也會(huì)導(dǎo)致它們從一種狀態(tài)翻轉(zhuǎn)到另一種狀態(tài)。Si說(shuō)，最小化由于這種“退相干”而丟失的信息是量子位設(shè)計(jì)的主要關(guān)注點(diǎn)。

在這項(xiàng)新研究中，Si與維也納工業(yè)大學(xué)的長(zhǎng)期合作者Silke Paschen合作研究了一種材料，其中電子的量子態(tài)不僅根據(jù)自旋而且還根據(jù)軌道進(jìn)行了擾動(dòng)。

他說(shuō)：“我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以在某些理論模型中實(shí)現(xiàn)，并且可以在材料中同時(shí)實(shí)現(xiàn)，其中自旋和軌道幾乎處于平等的地位，并且緊密耦合在一起。”

Si，Paschen及其同事從2012年的先前研究中知道，化合物中的電子可以如此強(qiáng)烈地相互作用，以至于材料在臨界低溫下會(huì)發(fā)生劇烈變化。在這個(gè)“量子臨界點(diǎn)”的任一側(cè)，關(guān)鍵軌道中的電子將以完全不同的方式排列它們自己，而移位僅是由于它們之間的量子相互作用而發(fā)生的。

較早的研究援引了著名的理論Si和合作者(于2001年開(kāi)發(fā))，該理論規(guī)定了這些局部電子(它們是合金內(nèi)部原子的一部分)的自旋如何在量子臨界點(diǎn)與自由流動(dòng)??的傳導(dǎo)電子強(qiáng)耦合。根據(jù)這種“局部量子臨界”理論，當(dāng)材料冷卻并接近臨界點(diǎn)時(shí)，局部電子和傳導(dǎo)電子的自旋開(kāi)始競(jìng)爭(zhēng)以占據(jù)特定的自旋態(tài)。量子臨界點(diǎn)是臨界點(diǎn)，在該臨界點(diǎn)上，競(jìng)爭(zhēng)破壞了局部電子的有序排列，取而代之的是它們與傳導(dǎo)電子完全糾纏在一起。

盡管Si研究了量子臨界性將近20年，但他對(duì)Paschen最新實(shí)驗(yàn)的結(jié)果感到驚訝。

他說(shuō)：“新數(shù)據(jù)完全困擾著我們所有人。” “也就是說(shuō)，直到我們意識(shí)到該系統(tǒng)不僅包含自旋，而且還包含作為主動(dòng)自由度的軌道。”

有了這一認(rèn)識(shí)，Si的團(tuán)隊(duì)，包括萊斯大學(xué)的研究生Ang Cai，建立了一個(gè)既包含自旋又包含軌道的理論模型。他們對(duì)該模型的詳細(xì)分析揭示了一種令人驚訝的量子臨界形式，可提供對(duì)實(shí)驗(yàn)的清晰理解。

他說(shuō)：“從理論模型的角度和實(shí)驗(yàn)上，這都令我震驚。” “盡管這是萬(wàn)物之源-自旋，軌道都相互之間以及與背景傳導(dǎo)電子緊密耦合，但我們可以在一個(gè)參數(shù)調(diào)整的情況下，在一個(gè)系統(tǒng)中解析出兩個(gè)量子臨界點(diǎn)。磁場(chǎng)。在每個(gè)量子臨界點(diǎn)，只有自旋或軌道驅(qū)動(dòng)量子臨界。另一個(gè)或多或少是旁觀者。”

Si是萊斯大學(xué)物理與天文學(xué)系的Harry C.和Olga K. Wiess教授。

該研究的共同主要作者是Cai和Valentina Martelli，他們?cè)仁蔷S也納工業(yè)大學(xué)，現(xiàn)在在巴西圣保羅大學(xué)任教。其他合著者包括萊斯的劉家全和賴新華。埃米利安·尼卡(Emilian Nica)，前萊斯大學(xué)，現(xiàn)就職于不列顛哥倫比亞大學(xué)。容瑜，原賴斯，現(xiàn)任中國(guó)人民大學(xué);維也納工業(yè)大學(xué)的Mathieu Taupin，Andrey Prokofiev，Diana Geiger，Jonathan Haenel和Julio Larrea;佛羅里達(dá)大學(xué)的Kevin Ingersent;德國(guó)德累斯頓馬克斯·普朗克固體化學(xué)物理研究所的RobertKüchler;南非約翰內(nèi)斯堡大學(xué)的Andre Strydom。

該研究得到了美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)(DMR-1920740，CNS-1338099，PHY-1607611，DMR-1508122)，羅伯特·韋爾奇基金會(huì)(C-1411)，陸軍研究辦公室(ARO-W911NF-14- 1-0525，ARO-W911NF-14-1-0496)，奧地利科學(xué)基金(P29296-N27，DK W1243)，歐洲研究理事會(huì)(高級(jí)撥款227378)，卡洛斯·查加斯·菲洛(Carlos Chagas Filho)國(guó)家研究支持基金會(huì)里約熱內(nèi)盧(201.755 / 2015)，國(guó)家自然科學(xué)基金(11674392)，中國(guó)科學(xué)技術(shù)部(2016YFA0300504)，南非國(guó)家研究基金會(huì)(93549)，約翰內(nèi)斯堡大學(xué)和RCQM。

RCQM利用全球合作伙伴關(guān)系和20多個(gè)賴斯研究小組的實(shí)力來(lái)解決與量子材料有關(guān)的問(wèn)題。RCQM得到賴斯研究和副教務(wù)處辦公室，威斯自然科學(xué)學(xué)院，布朗工程學(xué)院，斯莫利-庫(kù)爾研究所和物理與天文學(xué)，電氣與計(jì)算機(jī)工程以及材料科學(xué)系的支持和納米工程。