量子計算機又近一步！美科學(xué)家發(fā)現(xiàn)首個量子液晶！

加州理工學(xué)院量子信息與物質(zhì)研究所的物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)了首個三維量子液晶——一種新狀態(tài)物質(zhì)，可被用于未來的超快量子計算機中。這一研究成果已發(fā)表于4月21日的科學(xué)雜志上。

該研究主要負(fù)責(zé)人、加州理工學(xué)院物理助理教授David Hsieh說道：“我們檢測出了物質(zhì)的一種新的基本狀態(tài)，可認(rèn)為是液晶的量子類比。原則上存在多種這樣的量子液晶，因此我們的發(fā)現(xiàn)可能只是冰山一角。”

液晶是位于液態(tài)和固態(tài)的中間態(tài)：由自由流動的分子構(gòu)成，看起來像是液體，但保留著部分晶態(tài)物質(zhì)分子的各向異性有序排列，看起來又是固體。

在自然界中也能找到液晶，比如生物細(xì)胞膜。此外也能通過人為制造，比如通常的電視機，智能手機，手表以及其他產(chǎn)品中的液晶顯示器。

量子液晶中電子的行為方式類似于傳統(tǒng)液晶中的分子。即，電子自由移動但同時具有優(yōu)先流動方向。首個量子液晶是由加州理工學(xué)院的物理和應(yīng)用物理Frank J. Roshek教授職位的Jim Eisenstein在1999年發(fā)現(xiàn)的。Eisenstein的量子液晶是二維的，即受限于宿主材料(人工生長的砷化鎵金屬)的單個平面內(nèi)。隨后，在其他幾種材料中也發(fā)現(xiàn)了這種二維量子液晶，比如-150攝氏度下無電阻的高溫超導(dǎo)體——比傳統(tǒng)的超導(dǎo)體運行溫度更高。

新研究的第一作者、Hsieh實驗室的博士后研究員John Harter解釋說二維量子液晶的行為方式十分奇異：“雖然x軸和y軸并無不同(指晶格)，但平面上的電子會整體地決定更傾向于其中一個方向。”

而現(xiàn)在Harter，Hsieh和田納西大學(xué)橡樹嶺國家實驗室的同事發(fā)現(xiàn)了首個三維量子液晶。相比二維量子液晶，三維版本的液晶看起來更加奇特。在三維量子液晶中，不僅x,y,z軸方向的電子分布不同，在特定軸上因向前或是向后流動磁性也不同。

Hsieh說道：“在材料中通以電流就能將其從非磁體轉(zhuǎn)變?yōu)榇朋w，這一點極不尋常。此外，在能通過電流的方向之間，磁場強度和磁場方向不同。物理學(xué)家稱這打破了晶格的對稱性。”

Harter也是偶然間發(fā)現(xiàn)的。他原本是打算研究基于錸元素的金屬化合物的原子結(jié)構(gòu)。具體來講，他試圖利用光學(xué)二次諧波旋轉(zhuǎn)各向異性技術(shù)描繪晶體的結(jié)構(gòu)。在實驗中，研究者將激光打向材料，反射的激光頻率會變?yōu)閮杀?，并且其模式包含了晶體對稱性的信息。針對錸基金屬化合物測量得到的模式十分奇怪，無法為已知的化合物原子結(jié)構(gòu)所解釋。

Harter回憶道：“一開始我們一臉懵逼。”研究者隨后了解了麻省理工學(xué)院的物理學(xué)教授Liang Fu提出的三維量子液晶概念，“這完美地解釋了這種模式，所有一切突然就說得通了。”

研究者稱三維量子液晶可能在自旋電子學(xué)中大展身手，利用電子自旋方向制造更有效的計算機芯片。這一發(fā)現(xiàn)還有助于解決量子計算機制造中的某些困難，其中一個就是量子特性十分脆弱，能輕易地被周圍環(huán)境的作用所摧毀。加州理工理論物理學(xué)家和數(shù)學(xué)的Ronald and Maxine Linde教授職位的Alexei Kitaev提出了拓?fù)淞孔佑嬎慵夹g(shù)，可以利用被稱為拓?fù)涑瑢?dǎo)體的特殊的超導(dǎo)體解決這一問題。

Hsieh說道：“三維量子液晶可作為拓?fù)涑瑢?dǎo)體的前驅(qū)物，方式雷同于二維量子液晶作為高溫超導(dǎo)體的前驅(qū)物。”

Harter說道：“比起依賴于靠運氣發(fā)現(xiàn)拓?fù)涑瑢?dǎo)體，我們已經(jīng)知道了如何使用三維量子液晶制造拓?fù)涑瑢?dǎo)體，這將是我們的下一步工作。”