对于量子比特设计师来说 量子临界性可能是一个福音

研究称为重费米子的金属合金的奇怪行为的物理学家发现了一个令人惊讶的发现，它可以用于保护量子比特或量子比特中存储的信息，量子比特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”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)的研究人员研究了铈，钯和硅的金属间晶体在遭受极端寒冷和极端寒冷时的行为。强磁场。令他们惊讶的是，他们发现它们可以用两种独特的方式改变材料的量子行为，一种是电子竞争占据轨道，另一种是竞争占据自旋态。

赖斯斯是该研究的共同通讯作者，赖斯量子材料中心(RCQM)主任说：“这种效应在一个自由度下如此明显，最终解放了另一个自由度。” “你可以从根本上调整系统，以最大限度地减少对其中一个的损害，让另一个明确定义。”

Si表示，结果对谷歌，IBM，英特尔等竞争开发量子计算机的公司非常重要。与今天使用电或光来编码信息的数字计算机不同，量子计算机使用像电子这样的亚原子粒子的量子态来存储量子比特中的信息。实用的量子计算机在许多方面都可以胜过其数字对应物，但该技术仍处于起步阶段，其中一个主要障碍是量子位在量子位内的脆弱性。

“如果你希望确保存储在量子位中的信息不会因背景干扰而改变，那么你需要一个明确定义的量子态，”Si说。

每个电子都像旋转磁铁一样，其旋转以上下两个值中的一个来描述。在许多量子比特设计中，信息是在这些旋转中编码的，但这些状态可能非常脆弱，即使很少的光，热，振动或声音也会导致它们从一种状态转换到另一种状态。Si说，最大限度地减少丢失这种“退相干”的信息是量子比特设计中的一个主要问题。

在这项新的研究中，Si与TU Wien的长期合作者Silke Paschen一起研究了一种材料，其中电子的量子态不仅在其旋转方面而且在其轨道方面都被扰乱。

“我们设计了一个系统，在一些理论模型中实现并同时在一种材料中实现，其中旋转和轨道几乎处于平等的基础并且强烈耦合在一起，”他说。

根据2012年的研究，Si，Paschen及其同事知道，化合物中的电子可以相互作用，使得材料在严寒的温度下会发生剧烈的变化。在这个“量子临界点 ”的任何一侧，关键轨道中的电子将以完全不同的方式排列，这种转变仅仅由于它们之间的量子相互作用而发生。

早期的研究引用了一个众所周知的理论Si和2001年开发的合作者，这些理论规定了这些局部电子的旋转，它们是合金内部原子的一部分，与量子临界点处的自由流动的传导电子强烈耦合。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。量子临界点是这种竞争破坏局部电子的有序排列的转折点，它们变得与传导电子完全纠缠在一起。

尽管Si已经研究了近20年的量子临界，但他对Paschen最新实验的结果感到惊讶。

“新数据对我们所有人来说都是令人困惑的，”他说。“也就是说，直到我们意识到这个系统不仅包含旋转，还包含轨道作为活跃的自由度。”

有了这个认识，Si的团队，包括赖斯研究生Ang Cai，建立了一个包含旋转和轨道的理论模型。他们对模型的详细分析揭示了一种令人惊讶的量子临界形式，它提供了对实验的清晰理解。

“从理论模型和实验来看，这对我来说都很震惊，”他说。“即使这是一个东西旋转的汤，轨道相互强烈耦合和背景传导电子 - 我们可以在一个参数的调整下解决这一个系统中的两个量子临界点，即磁场在每个量子临界点上，只有自旋或轨道才能驱动量子临界。另一个或多或少是旁观者。“

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