量子臨界性可能是量子比特設計者的福音

研究重金屬費米子的金屬合金的奇怪行為的物理學家做出了一個令人驚訝的發(fā)現，該發(fā)現對于保護量子位或量子位中存儲的信息非常有用，量子位是量子計算機中編碼信息的基本單位。

在《美國國家科學院院刊》上的一項研究中，來自萊斯大學和奧地利維也納技術大學(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。強磁場。令他們驚訝的是，他們發(fā)現可以用兩種獨特的方式改變材料的量子行為，一種方式是電子競爭占據軌道，而另一種方式競爭占據自旋態(tài)。

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

Si表示，這一結果對于像谷歌，IBM，英特爾和其他競爭開發(fā)量子計算機的公司來說可能是重要的。與當今使用電或光來編碼信息的數字計算機不同，量子計算機使用亞原子粒子(如電子)的量子態(tài)將信息存儲在量子位中。實用的量子計算機可以在許多方面超過其數字同類產品，但該技術仍處于起步階段，主要障礙之一是量子位內部量子態(tài)的脆弱性。

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

每個電子都像旋轉的磁鐵一樣工作，其自旋用兩個值(向上或向下)之一描述。在許多量子位設計中，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，振動或聲音也會導致它們從一種狀態(tài)翻轉到另一種狀態(tài)。Si說，最小化由于這種“退相干”而丟失的信息是量子位設計的主要關注點。

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

他說：“我們設計了一個系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以在某些理論模型中實現，并且可以在材料中同時實現，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烈地相互作用，以至于材料在臨界低溫下會發(fā)生劇烈變化。在這個“量子臨界點”的任一側，關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年開發(fā))，該理論規(guī)定了這些局部電子(它們是合金內部原子的一部分)的自旋如何在量子臨界點與自由流動??的傳導電子強耦合。根據這種“局部量子臨界”理論，當材料冷卻并接近臨界點時，局部電子和傳導電子的自旋開始競爭以占據特定的自旋態(tài)。量子臨界點是臨界點，在該臨界點上，競爭破壞了局部電子的有序排列，取而代之的是它們與傳導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Paschen最新實驗的結果感到驚訝。

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

有了這一認識，Si的團隊，包括萊斯大學的研究生Ang Cai，建立了一個既包含自旋又包含軌道的理論模型。他們對該模型的詳細分析揭示了一種令人驚訝的量子臨界形式，可提供對實驗的清晰理解。

他說：“從理論模型的角度和實驗上，這都令我震驚。” “盡管這是萬物之源-自旋，軌道都相互之間以及與背景傳導電子緊密耦合，但我們可以在一個參數調整的情況下，在一個系統(tǒng)中解析出兩個量子臨界點。磁場。在每個量子臨界點，只有自旋或軌道驅動量子臨界。另一個或多或少是旁觀者。”

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

該研究的共同主要作者是Cai和Valentina Martelli，他們原先是維也納工業(yè)大學，現在在巴西圣保羅大學任教。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，現就職于不列顛哥倫比亞大學。容瑜，原賴斯，現任中國人民大學;維也納工業(yè)大學的Mathieu Taupin，Andrey Prokofiev，Diana Geiger，Jonathan Haenel和Julio Larrea;佛羅里達大學的Kevin Ingersent;德國德累斯頓馬克斯·普朗克固體化學物理研究所的RobertKüchler;南非約翰內斯堡大學的Andre Strydom。

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

RCQM利用全球合作伙伴關系和20多個賴斯研究小組的實力來解決與量子材料有關的問題。RCQM得到賴斯研究和副教務處辦公室，威斯自然科學學院，布朗工程學院，斯莫利-庫爾研究所和物理與天文學，電氣與計算機工程以及材料科學系的支持和納米工程。