量子信息的过去、现在和未来(12)

5. 创造量子物态
已有的量子技术令人兴奋，因为它为探索多纠缠粒子物理学提供了新的工具。在这方面，我们也注意到了近期的重大进展，包括对新量子物相的前所未有的研究。我将重点介绍两个例子。
哈佛/麻省理工学院的研究小组，使用一个拥有219个量子比特的里德堡原子（Rydberg atom）平台，在最近创造并检测到了一种新的高度纠缠的量子物相，即（quantum spin liquid）[140]。近50年来，理论家们一直有预测量子自旋液体的存在[141]，但之前从未见过这种量子态的令人信服的实验证据。其主要原因有二。一是，我们需要一种具有合适性质的量子比特材料来寻找具有长程量子纠缠的基态。在自然界中，这种材料似乎很罕见。二是，长程纠缠态的特征很难观测，因为人们需要同时对许多量子比特进行集体观察。里德堡平台具有高度可编程性和足够的通用性，可以模拟合适类型的材料。并且人们可以以足够的保真度测量非局域可观测量，以识别长程纠缠的特征。
在来自斯坦福、普林斯顿、马克斯·普朗克研究所和其他地方的凝聚态物理学家的指导下，谷歌Sycamore处理器中的20个超导量子比特被用来创建和观察离散时间晶体（discrete time crystal）[142]。这是周期性驱动系统中的一种新的物质相，它以与周期性驱动不同的频率无限期地振荡。时间晶体的概念在10年前首次被提出[143]，之前的实验在验证这一现象方面也取得了部分成功[144-146]，但Sycamore中的高保真门和精确的单量子比特读出和控制使更令人信服的演示成为可能。
注意两件事。首先，五年前，里德堡原子在量子平台的雷达图上并不多见，但现在它们正在迅速发展。这提醒我们，我们仍处于量子技术的早期阶段，巨大的惊喜可能会不断出现。其次，谷歌实验是在基于门的量子计算机上完成的，而哈佛/麻省理工学院的实验是在可编程模拟模式（programmable analog mode）下进行的。这提醒我们，这两种研究量子物质的方法是互补的，两者都值得探究。
这些令人鼓舞的迹象表明，我们正在获得在不久的将来创造和研究各种新的量子物相的工具。这些新物相中既有类似量子自旋液体这种处于平衡态的物相，也有类似离散时间晶体一样远离平衡态的物相。我们有充分的理由对这些发展印象深刻。首先，在我们目前预见的量子计算应用中，材料和化学领域的应用似乎最有可能从广义上造福人类，而令人兴奋的是，在当前时代，我们已经拥有了可以提高我们对量子物质理解的工具。其次，因为对拓扑相的研究可以激发量子纠错和容错的新方法，从长远来看，这些方法将取得成功。展望未来，我们可以看到创造超越自然界已知存在的物态的机会，这些状态既具有科学价值也具有技术价值。