2026年6月10日——牛津大学的物理学家们在搜寻“量子自旋液体”的过程中开发出一种新方法。量子自旋液体是一种长期被寻找的量子物质状态，类似于磁性液体，其量子特性使其永远不会冻结。这一突破是寻找“量子硅”的关键一步：量子硅是一种可用于制造量子计算机的矿物，就像硅被用于传统计算机一样。

论文第一作者肖默斯·戴维斯教授解释说：“通过引入量子见证技术，我们为量子自旋液体的物理学提供了一个全新的视角，并首次直接接触到它们的内部量子激发，或称为‘自旋子’。”

当液体冷却时，其原子停止运动，从而冻结成固体。但有些液体，如氦，永远不会冻结：显著的量子效应意味着即使在绝对零度（可能的最低温度）下，它们也能以超流体的形式流动。每个单个原子的磁性被称为其“自旋”。在量子自旋液体中，这些自旋的整体磁场保持着类似液体的特性，永远不会冻结成固定的构型。它通过利用普遍的量子纠缠来实现这种非凡的状态。

来自布里斯托大学的费利克斯·弗利克博士负责了该论文的理论工作，他继续说道：“通常当我们想到量子纠缠时，我们想象的是一个精心准备的、涉及两三个粒子的实验。但在量子自旋液体中，每一个自旋都与其他每一个自旋纠缠在一起。这是自然发生的：你甚至可以在地面上找到这些晶体！”

该团队正在研究一种名为Herbertsmithite的矿物，它是以英国矿物学家乔治·弗雷德里克·赫伯特·史密斯命名的。Herbertsmithite首次于2004年合成，是寻找量子自旋液体的首要候选材料。然而，此前试图证明Herbertsmithite会形成量子自旋液体的努力，因该矿物中存在磁性杂质原子而受阻。早期的研究试图扣除这些杂质自旋的影响，但在低温下，杂质自旋完全主导了信号。

当前工作的突破在于，将杂质自旋重新概念化为量子比特（量子计算机的基础单元），然后测量它们的动态，将它们视为量子自旋液体的“见证者”。

弗利克博士提供了如下类比：“想象一下，你的朋友在游泳池的水下向你喊话。你能听到他们，因为振动在水中传播。现在，在海底相隔同样的距离站立。你会更早听到朋友的喊话，因为海水密度更大，声音在其中传播得更快。因此，你可以通过‘见证’你的朋友来推断水的特性。在Herbertsmithite中，见证自旋通过量子自旋液体相互传递信号。”

与声音的类比还可以进一步延伸。为了测量见证自旋，实验团队部署了一种名为“自旋见证光谱学”的新实验技术。它利用“超导量子干涉器件”来进行一些有史以来最灵敏的磁通量检测。SQUID对磁波动的频率灵敏范围，与人耳对声音的敏感范围相当。

实验人员，来自牛津大学（现任职于普林斯顿大学）的Hiroto Takahashi和来自科克大学学院的Jack Murphy，使用他们的设备测量了Herbertsmithite晶体自发产生的超小磁场的波动。他们检测到的磁场约为地球表面磁场的十亿分之一。磁信号类似于随机噪声。但噪声有多种类型。白噪声最为熟悉。而“粉红噪声”更深沉，类似于音乐和许多自然过程中声音的混合。对磁噪声进行的详细统计分析表明，它是一种精确形式的粉红噪声。这使包括牛津大学的斯蒂芬·布伦德尔教授在内的理论团队得以识别见证者之间的相互作用。他们发现，这些相互作用是由名为“自旋子”的新涌现粒子来中介的。自旋子仅存在于某些量子物质状态中，最重要的是在量子自旋液体中。

自旋子是当前物理学家们非常感兴趣的研究对象。阻止量子自旋液体冻结的量子纠缠可能被用于制造实用的量子计算机。这种纠缠可以通过自旋子来理解。与另一种名为“vison”的粒子一起，它们具有一个特性：将一个粒子绕另一个粒子一周会改变两者的性质。这是“拓扑量子计算”的基础，也是实现可扩展纠错量子计算机的主要方案之一。

尽管Herbertsmithite中的粒子并非完全符合量子计算所需的形式（它们是“阿贝尔任意子”，而非“非阿贝尔任意子”），但当前的研究为自然界矿物中存在这些粒子提供了迄今最好的证据之一。正如硅的自然生长被用于制造微芯片一样，量子物质的自然生长有朝一日也可能带来实用的量子计算机。更重要的是，自旋见证光谱学提供了一条控制自旋子的途径。基于当前的工作，其他团队现在正在构建新的设备来控制见证者，与Herbertsmithite晶体交换量子信息。