科学家发现三维量子液晶 超高速量子计算机有戏

雷本祖
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19世纪以前,人们从未想过某些物质还可以具有“液晶”状态。直到一位来自奥地利的植物学家,莱尼茨尔在做胆甾醇苯酸酶加热实验时,发现晶体物质融化过程中,在不同温度下,颜色变得截然不同。

随后物理学家勒曼发现,晶体融化液体与晶体类似,具有双折射性质,于是将其命名为“液晶”。

20世纪至今,液晶技术不断提升,比如二维量子液晶已成为高温超导体的前身。

如今,科学家们新发现三维量子液晶,它将用于制造拓扑超导体。

一种兼具晶体和液体部分性质的中间态

据外媒“科学警报”网站4月22日报道,加州理工学院量子信息与物质研究所的物理学家们首次发现了一种三维量子液晶。作为一种新的物质状态,它预计将在超高速量子计算中得到应用,并且研究人员认为,目前的发现还只是“冰山一角”。

物质的“液晶”状态并不是一个新鲜概念,正如前所述,它在19世纪就已被发现。当某些物质在熔融状态,或被溶剂溶解之后,会失去固态物质的刚性,却获得了液体流动性,同时保留部分晶体状态下,物质分子的各向异性有序排列,成为一种兼具晶体和液体部分性质的中间态,即“液晶”状态。

标准的液晶分子既能自由流动,又能像固体一样保持定向。在电场作用下,液晶分子的排列会出现变化,从而影响到其光学性质,该现象也被称为电光效应。这种效应满足了工业制造领域的某些需求,比如,人工制造液晶,用于制作电视机、电脑、智能手机以及手表等电子设备的显示屏。当然,也并非只有工业领域才使用液晶,自然界的生物细胞膜中也有液晶分子的存在。

1999年,同样是加州理工学院,物理和应用物理学的两位教授,吉姆·爱森斯坦和弗兰克·罗歇克发现了二维量子液晶。它们的分子表现和普通液晶分子一样,但物质内的电子虽能自由移动,却更倾向于沿一定方向排列,即存在优先流动方向。爱森斯坦的量子液晶之所以有这样的表现是因为,晶体分子受限于宿主材料,人工生长的砷化镓金属存在单个平面的结构。随后,科学家们在其他材料中也发现了二维量子液晶,并用其制作高温超导体,能够在温度为负150摄氏度的情况下就实现无电阻,比传统超导体运行的温度更高。

与二维量子液晶相比,三维版本的液晶分子的性质也许更加奇特

现在,美国科学家谢地,谢地实验室的博士后研究员约翰·哈特,以及美国田纳西大学橡树岭国家实验室的研究者们合作,共同发现了首个三维量子液晶。最新研究成果论文已发表于4月下旬的《科学》杂志上。

该研究的第一作者约翰·哈特介绍,二维量子液晶的分子行为方式十分奇特,虽然晶格中X轴与Y轴的指向和传统液晶分子并无不同,但整个平面上的电子会整体决定更倾向于其中的某个方向。

与二维量子液晶相比,三维版本液晶分子的性质也许更加奇特。在三维量子液晶中,不仅X、Y、Z轴方向的电子分布不同,在特定方向轴上,向前或向后的流动磁性也有所不同。简单来说,就是三维量子液晶的电子具有完全不同的磁性,即能够沿一个给定轴方向流动。这意味着提供了使材料变为磁铁的方式,或者能够改变磁铁的磁性强度和方向。

科学家谢地表示,仅仅使材料通电,改变材料所处电场,就能将其从非磁体转变为磁体,十分不可思议。此外,液晶内部能通过的电流方向之间,磁场强度和方向皆不同,等于打破了晶格的对称性。起初研究者们对所发现的状况不能理解,随后了解到麻省理工学院科学家曾提出“三维量子液晶”概念,很好解释了研究结果,这才确定找到的正是三维量子液晶。
生产量子计算机本身就是一个挑战
研究者约翰·哈特表示,自己也是偶然间发现“三维量子液晶”。原本,他试图利用光学二次谐波旋转各向异性技术描绘晶体结构,从而研究基于铼元素的金属化合物的原子结构。在实验中,研究者向材料发射激光,反射的激光频率会变为两倍,并且其模式包含了晶体对称性的信息。而针对铼基金属化合物的测量所得模式十分奇怪,无法为已知的化合物原子结构所解释。这才使得研究者们重新审视研究结果,确认“三维量子液晶”的存在。

如同液晶被发现后,广泛应用于LED屏幕制作一样,三维量子液晶的发现有望推进超高速量子计算机的建设进程。液晶分子的量子性质将使得代码解密等计算过程实现超级高速。

生产量子计算机本身就是一个挑战,因为量子效应十分微妙而短暂,脆弱到一旦与周围环境的相互作用被改变,效应实现的过程就会被摧毁。加州理工学院理论物理学和数学领域的教授们提出拓扑量子计算技术。实现该技术又需要借助一种被称为拓扑超导体的特殊材料,而三维量子液晶的存在恰好能够用于构造该材料。

这意味着以后,人们不再依赖于偶然运气去发现拓扑超导体,而是能用三维量子液晶合理构造出它。而如何构造,正是研究者们的下一步工作。科学家谢地表示,三维量子液晶可以作为拓扑超导体的前驱物,方式就如同二维量子液晶被当作高温超导体的先兆一样。研究小组预计,三维量子液晶的分子特性将帮助科学家们开拓并促进超高效计算机芯片研究的发展。

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