这种准粒子“长生不老”,有望提升量子计算机性能

图片来源:K. Verresen /慕尼黑工业大学


在一项近期发表于《自然·物理学》的研究中,德国马克斯普朗克研究所的鲁本·费雷森(Ruben Verresen)与合作者报道了一种可以不断衰变随后又“重生”的准粒子。这种长生不老的现象,是如何发生的?


撰文 | 张华


“强大的量子相互作用可以阻止准粒子的衰变!”论文的共同作者、慕尼黑大学理论固体物理学教授弗兰克·波尔曼(Frank Pollman)解释说。



准粒子是什么?


“准粒子”这个概念由苏联著名物理学家朗道在费米液体理论中首先引入。所谓的准粒子其实不是一种真实的粒子,它可以被看成一种由大量电子相互作用产生的集体激发现象。


准粒子不像电子这种真粒子那样能在真空中存在。它是在凝聚态物质中才能存在的“粒子”。这就如同声音不能脱离空气介质而存在。也就是说,准粒子是在凝聚态物质中,电子之间因为电磁相互作用而具有的性质,这是一种粒子激发态。准粒子的物理本质,其实是一种量子相干叠加。


比如,在晶体中,电子相互作用引发的晶格振动,可以产生一种叫做“声子”的准粒子。声子作为一种准粒子,它也能体现出“粒子性”——它具有动量和能量。声子对应的是声波的基本粒子单元(这是波粒二象性,波的量子化会产生粒子),每一个声子对应一种振动模式。另一种典型的准粒子名为“磁子”。电子自旋之间相互作用会产生一种自旋波,自旋波所对应的准粒子就是磁子。


总之,包括声子和磁子在内,准粒子一共有10多种。只要一个物理系统中的电子之间存在复杂的电磁相互作用,那么一旦把这个物理系统看成是一系列独立的“准粒子”的集合,我们就可以忽略电子间的相互作用。在这个等效处理中,准粒子的质量就不再是电子的质量,而是一种等效质量。



准粒子为什么会衰变?


在费雷森等人的研究中,他们通过计算机模拟了一种磁子。这种磁子有一种令人称奇的特征:它们能在衰变与重生之间往复,形成一种“长生不老”的现象。这具有重要的物理意义,因为大多数准粒子都不能长生不老,而是会衰变的。


为什么大多数的准粒子都会衰变呢?


从物理上来说,准粒子其实是多个电子的一种集体激发——就好像办公室里可以激发出办公室政治或者办公室爱情一样,只有多人存在于同一个房间才能出现这种现象;如果只有一个人,则不可以,因为一个人不能与自己争权夺利,也不能与自己谈恋爱。


准粒子往往是不稳定的,这种不稳定被称为“衰变”。准粒子衰变的主要原因就是温度。前面说到,准粒子其实是一种量子相干叠加,这是一种对温度十分敏感的现象。在实际的物理系统中,温度高于绝对零度,所以准粒子会因为量子的退相干而衰变。物理系统的温度越高,就越难观测到准粒子。


从这个意义上来说,温度象征着热力学第二定律,它给出了熵增加的方向,也就是让物理系统的混乱程度增加。对于准粒子来说,温度就是衰变发生的原因。


当然,实际上还有其他的干扰因素会破坏准粒子,比如说振动——如果一个物理实验中观测到了准粒子,但在这个过程中实验平台发生振动,准粒子也可能因此而消失。



“长生不老”的准粒子


在最新研究中,费雷森等人考虑的是一组具有海森堡反铁磁性的电子。所谓海森堡反铁磁性,是指一群电子整齐排列在一起,但相邻电子的自旋方向是相反的——如同一群小学生排队做早操,奇数位置是男生,偶数位置是女生,交替排列。在这样的系统中,所有的自旋相互作用会激发出磁子。但是,因为自旋与自旋的相互作用是一种磁偶极相互作用,这种相互作用的能标很低,一旦温度升高,这个系统就会被破坏。



根据新研究中的模拟,这些磁子确实会衰变,但与此同时,等量的新磁子又会涅槃重生。为什么会发生这种现象呢?费雷森等人认为,当材料晶格常数比较小的时候,电子之间的距离很近,电子与电子之间的波函数重叠度较高,这时“电子之间很强的相互作用”使得准粒子能够重生。


这个发现可以解释之前的物理实验。在之前的实验中,物理学家发现磁性化合物Ba3CoSb2O9非常稳定,当时科学家无法解释它的稳定性。而根据费雷森提出的“长生不老”的准粒子理论,Ba3CoSb2O9看起来可能包含这种“长生不老”的磁性准粒子——不过目前这还只是猜测,需要进一步的研究得出答案。


这种准粒子可能在量子计算机的建造中发挥作用,因为它可以帮助量子计算系统维持持久的存储数据能力。2015年,科学家曾发现,可用于量子计算存储的稀土离子掺杂晶体的量子相干自旋态寿命长达6小时,这是当时量子系统相干寿命的最高水平。而目前这种“长生不老”的准粒子,其量子存储的寿命远远超过了6小时。所以,尽管目前还仅仅处在理论阶段,以后也许可以看到这种准粒子被用于量子计算机。


原始论文:

https://www.nature.com/articles/s41567-019-0535-3



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