量子临界性可能是量子比特设计者的福音

研究重金属费米子的金属合金的奇怪行为的物理学家做出了一个令人惊讶的发现，该发现对于保护量子位或量子位中存储的信息非常有用，量子位是量子计算机中编码信息的基本单位。

在《美国国家科学院院刊》上的一项研究中，来自莱斯大学和奥地利维也纳技术大学(TU Wien)的研究人员检查了铈，钯和硅的金属间晶体在极冷和高温下的行为。强磁场。令他们惊讶的是，他们发现可以用两种独特的方式改变材料的量子行为，一种方式是电子竞争占据轨道，而另一种方式竞争占据自旋态。

赖斯的共同通讯作者，赖斯量子材料中心(RCQM)主任说：“这种效果在一个自由度上是如此明显，以至于最终解放了另一个。” “您实质上可以调整系统，以最大程度地破坏其中一个，而使另一个定义明确。”

Si表示，这一结果对于像谷歌，IBM，英特尔和其他竞争开发量子计算机的公司来说可能是重要的。与当今使用电或光来编码信息的数字计算机不同，量子计算机使用亚原子粒子(如电子)的量子态将信息存储在量子位中。实用的量子计算机可以在许多方面超过其数字同类产品，但该技术仍处于起步阶段，主要障碍之一是量子位内部量子态的脆弱性。

Si说：“如果希望确保量子位中存储的信息不会因背景干扰而改变，则需要定义明确的量子态。”

每个电子都像旋转的磁铁一样工作，其自旋用两个值(向上或向下)之一描述。在许多量子位设计中，信息是在这些自旋中编码的，但是这些状态非常脆弱，以至于即使极少量的光，热，振动或声音也会导致它们从一种状态翻转到另一种状态。Si说，最小化由于这种“退相干”而丢失的信息是量子位设计的主要关注点。

在这项新研究中，Si与维也纳工业大学的长期合作者Silke Paschen合作研究了一种材料，其中电子的量子态不仅根据自旋而且还根据轨道进行了扰动。

他说：“我们设计了一个系统，该系统可以在某些理论模型中实现，并且可以在材料中同时实现，其中自旋和轨道几乎处于平等的地位，并且紧密耦合在一起。”

Si，Paschen及其同事从2012年的先前研究中知道，化合物中的电子可以如此强烈地相互作用，以至于材料在临界低温下会发生剧烈变化。在这个“量子临界点”的任一侧，关键轨道中的电子将以完全不同的方式排列它们自己，而移位仅是由于它们之间的量子相互作用而发生的。

较早的研究援引了著名的理论Si和合作者(于2001年开发)，该理论规定了这些局部电子(它们是合金内部原子的一部分)的自旋如何在量子临界点与自由流动​​的传导电子强耦合。根据这种“局部量子临界”理论，当材料冷却并接近临界点时，局部电子和传导电子的自旋开始竞争以占据特定的自旋态。量子临界点是临界点，在该临界点上，竞争破坏了局部电子的有序排列，取而代之的是它们与传导电子完全纠缠在一起。

尽管Si研究了量子临界性将近20年，但他对Paschen最新实验的结果感到惊讶。

他说：“新数据完全困扰着我们所有人。” “也就是说，直到我们意识到该系统不仅包含自旋，而且还包含作为主动自由度的轨道。”

有了这一认识，Si的团队，包括莱斯大学的研究生Ang Cai，建立了一个既包含自旋又包含轨道的理论模型。他们对该模型的详细分析揭示了一种令人惊讶的量子临界形式，可提供对实验的清晰理解。

他说：“从理论模型的角度和实验上，这都令我震惊。” “尽管这是万物之源-自旋，轨道都相互之间以及与背景传导电子紧密耦合，但我们可以在一个参数调整的情况下，在一个系统中解析出两个量子临界点。磁场。在每个量子临界点，只有自旋或轨道驱动量子临界。另一个或多或少是旁观者。”

Si是莱斯大学物理与天文学系的Harry C.和Olga K. Wiess教授。

该研究的共同主要作者是Cai和Valentina Martelli，他们原先是维也纳工业大学，现在在巴西圣保罗大学任教。其他合著者包括莱斯的刘家全和赖新华。埃米利安·尼卡(Emilian Nica)，前莱斯大学，现就职于不列颠哥伦比亚大学。容瑜，原赖斯，现任中国人民大学;维也纳工业大学的Mathieu Taupin，Andrey Prokofiev，Diana Geiger，Jonathan Haenel和Julio Larrea;佛罗里达大学的Kevin Ingersent;德国德累斯顿马克斯·普朗克固体化学物理研究所的RobertKüchler;南非约翰内斯堡大学的Andre Strydom。

该研究得到了美国国家科学基金会(DMR-1920740，CNS-1338099，PHY-1607611，DMR-1508122)，罗伯特·韦尔奇基金会(C-1411)，陆军研究办公室(ARO-W911NF-14- 1-0525，ARO-W911NF-14-1-0496)，奥地利科学基金(P29296-N27，DK W1243)，欧洲研究理事会(高级拨款227378)，卡洛斯·查加斯·菲洛(Carlos Chagas Filho)国家研究支持基金会里约热内卢(201.755 / 2015)，国家自然科学基金(11674392)，中国科学技术部(2016YFA0300504)，南非国家研究基金会(93549)，约翰内斯堡大学和RCQM。

RCQM利用全球合作伙伴关系和20多个赖斯研究小组的实力来解决与量子材料有关的问题。RCQM得到赖斯研究和副教务处办公室，威斯自然科学学院，布朗工程学院，斯莫利-库尔研究所和物理与天文学，电气与计算机工程以及材料科学系的支持和纳米工程。