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近日，香港大学、哈佛大学等学者组成的联合团队通过对里德堡原子模型进行量子蒙特卡罗分析，探索了不同相变之间的微妙相互作用，发现了高度纠缠的量子自旋液体。他们的成果以《可变二聚体密度的三角晶格量子二聚体模型》为题[1]，发表在《自然·通讯》期刊上。
01
最有望展现量子优势的系统：里德堡原子阵列
使用里德堡原子的量子创新
在众多的量子计算和模拟平台中，里德堡原子阵列由于其最大的量子比特数量和最高的实验精度，被认为是近年来众多可编程量子模拟器平台中最有希望展现量子优势的系统。这种光学晶格由具有显著偶极矩的单个中性碱土原子组成：它们被困于微观偶极子陷阱阵列中，可以通过光学方式随意移动，形成所需的晶格几何。其中，每个原子都可以被激发到其里德堡状态，一对激发态通过它们的偶极矩通过长程相互作用。
许多人认为这样的里德堡原子阵列是近年来在所有可编程量子模拟器平台中实验精度和量子比特数量最高的系统。量子相变的观察和来自里德堡原子阵列的拓扑秩序的特征已经以巨大的速度被报道。
然而，这些光学晶格中的长程相互作用和里德堡阻塞机制既有利又有弊。一方面，如上所述，它们产生了实验性量子控制的高精度；但另一方面，它们还是强制要求对系统进行建模的约束。
这样的量子约束的多体系统是最难从理论和数值角度研究的系统之一。如果没有对完整的相图和新的量子相的精确理论理解，未来的实验将没有继续下去的指导。
02
绘制里德堡阵列的预期相图
此次实验由香港大学物理系助理教授严正、副教授孟子杨与哈佛大学著名物理学家Subir Sachdev教授（美国艺术与科学院院士），以及北京航空航天大学杭州创新研究院（余杭）的研究员Yan-Cheng Wang博士共同完成[2]。
他们设计了一个新的具有软约束（soft constraints）的三角晶格量子二聚体模型，以尽可能地接近实验条件，并开发了用于量子蒙特卡罗模拟的扫描聚类算法，可以有效地解决这种软约束的量子多体系统。
他们的模拟和理论分析成功地绘制出了里德堡阵列在Kagome晶格上的预期相图（phase diagram）：不仅发现了预期的和传统的向列型和交错型的固体相，而且还发现了外来的高度纠缠的Z2量子自旋液体（QSL），在相图中具有大参数的制度。
在这项工作中得到的相图。在不同的相内，偶数Z2量子自旋液体（QSL）和奇数Z2 QSL是拓扑有序的新型物质状态，预计将存在于Kagome晶格的里德堡原子阵列实验中。资料来源：香港大学
他们通过在量子蒙特卡洛模拟中设计弦算子和其他物理观测变量的非局域测量来识别这些新型相。QSL和平凡顺磁相之间的区别被成功区分出来。最令人兴奋的是，揭示了一条连接奇数Z2 QSL、平凡顺磁（PM）相以及偶数QSL和固相的路径，这对指导里德堡阵列实验非常有用。
QSL和PM相之间的相变。
此外，他们还研究了Z2 QSL中分数准粒子（visons）的动力学和相互作用，以给出更多的实验上的可能证据。
这些结果突出了他们为里德堡阵列系统推导的约束模型的丰富性，并利用了长程相互作用和里德堡阻塞机制所诱发的各种新阶段。
参考链接：
[1]https://www.nature.com/articles/s41467-022-33431-5
[2]https://phys.org/news/2022-10-physicists-entangled-states-programmable-quantum.html
