香港大學(xué)（港大）物理學(xué)系的研究團(tuán)隊(duì)運(yùn)用超級(jí)計(jì)算機(jī)進(jìn)行大規(guī)模的數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)歸納高度糾纏量子的獨(dú)特物質(zhì)形態(tài)「量子自旋液體」的明確測(cè)量方法。研究論文已於量子材料研究期刊 npj Quantum Materials 上發(fā)表。

美國(guó)物理學(xué)家菲利普?安德森（1977年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得獎(jiǎng)?wù)撸╈?973年提出量子自旋液體（一種即使在極低溫的環(huán)境下依然可保持無(wú)序的物質(zhì)相）的概念。後續(xù)的研究指出量子自旋液體有望成為拓?fù)淞孔佑?jì)算機(jī)的物質(zhì)載體，大大提高現(xiàn)時(shí)半導(dǎo)體計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力，亦有望協(xié)助科學(xué)家理解高溫超導(dǎo)背後的機(jī)制，從而研發(fā)出室溫超導(dǎo)體，並將之運(yùn)用在日常生活之中，例如減少電力傳輸中的熱損耗，以及用於建造更加高速的列車等等。

量子自旋液體之所以被稱為液體，是因?yàn)椴牧系膬?nèi)部粒子雖然彼此之間量子相互作用強(qiáng)烈，卻能夠在溫度極低的環(huán)境下仍能保持無(wú)序的狀態(tài)；量子自旋液體的拓?fù)湫蛟挫堕L(zhǎng)程強(qiáng)烈量子糾纏的作用，而這種拓?fù)湫螂m然是一種有組織的結(jié)構(gòu)，卻沒(méi)有令體系內(nèi)部的對(duì)稱性減少。至目前為止，科學(xué)界仍未能透過(guò)實(shí)驗(yàn)確切地證明量子自旋液體存在的證據(jù)，這主要是因?yàn)槿晕凑业侥墚a(chǎn)生量子自旋液體的完美材料。

有見(jiàn)及此，港大物理學(xué)系博士生趙家瑞，聯(lián)同陳斌斌博士、嚴(yán)正博士，以及孟子楊博士，利用超級(jí)計(jì)算機(jī)在一個(gè)被認(rèn)為有Z2（以2組成的循環(huán)羣）拓?fù)湫虻幕\目（日語(yǔ)：Kagome）晶格模型 （二維籠目晶格自旋模型具有奇妙的量子相互作用，看起來(lái)近似日本傳統(tǒng)的編織竹紋）中成功探測(cè)到量子自旋液體相。團(tuán)隊(duì)通過(guò)一個(gè)經(jīng)巧妙設(shè)計(jì)的數(shù)值實(shí)驗(yàn)，精確地探測(cè)到該模型的拓?fù)潇兀═opological Entropy），並得到和理論預(yù)期一致的結(jié)果，從數(shù)值的角度發(fā)現(xiàn)了一個(gè)證明量子自旋液體存在的強(qiáng)烈證據(jù)。

「我們運(yùn)用了先進(jìn)的超級(jí)計(jì)算機(jī)，成功地在一個(gè)被認(rèn)為有拓?fù)湫虻盅}雜的模型上精確測(cè)量到拓?fù)潇亍４税l(fā)現(xiàn)讓科學(xué)家對(duì)確認(rèn)量子自旋液體的存在邁進(jìn)一步。」文章的作者、港大物理學(xué)系博士生趙家瑞說(shuō)。

「數(shù)值模擬已成為研究量子材料的新潮流和主要方向。我們的算法和數(shù)值計(jì)算可以幫助發(fā)現(xiàn)更多有趣和新奇的量子物態(tài)，這些發(fā)現(xiàn)將促進(jìn)量子科技的發(fā)展，並以此為基礎(chǔ)研究建立量子物質(zhì)研究的新範(fàn)式。」領(lǐng)導(dǎo)團(tuán)隊(duì)的港大物理學(xué)系副教授孟子楊博士補(bǔ)充道。

研究?jī)?nèi)容
研究團(tuán)隊(duì)在BFG模型中將估計(jì)是自旋液體的相態(tài)裏進(jìn)行了一個(gè)數(shù)值實(shí)驗(yàn)，其原理如圖二所示。圖中描繪了一個(gè)非平衡演化過(guò)程，而系統(tǒng)的糾纏熵（S）可通過(guò)計(jì)算對(duì)應(yīng)體系的自由能（Free Energy）的差距得到。拓?fù)湫虻耐負(fù)潇兀é茫┖涂偟募m纏熵有以下關(guān)係：S=al-γ，其中 l 代表系統(tǒng)的糾纏邊界的長(zhǎng)度。只須計(jì)算不同糾纏邊界長(zhǎng)度下的糾纏熵，就可以通過(guò)線性擬合來(lái)得到拓?fù)潇氐娜≈怠?br/>
圖三展示了在兩種不同的格點(diǎn)上進(jìn)行數(shù)值實(shí)驗(yàn)所得的糾纏熵和糾纏邊界長(zhǎng)度，以及兩者關(guān)係之間的結(jié)果；運(yùn)用兩種不同的格點(diǎn)是為了提高數(shù)據(jù)的可信度。如前面所述，由於糾纏熵和糾纏邊界的長(zhǎng)度有線性關(guān)係，因此我們能用直線去擬合得到的數(shù)據(jù)。線性擬合得到拓?fù)潇氐娜≈禐?1.4（2），跟理論上的預(yù)言值 2ln(2) 完美吻合，說(shuō)明我們發(fā)現(xiàn)了理論預(yù)言在量子自旋液體中存在的拓?fù)湫颍瑥臄?shù)值角度證明了量子自旋液體是存在的。

關(guān)於研究團(tuán)隊(duì)
此研究由港大物理學(xué)系的博士生趙家瑞、陳斌斌博士和嚴(yán)正博士合作而成，並在孟子楊博士的指導(dǎo)下完成。這項(xiàng)研究獲香港研資局、學(xué)科領(lǐng)域計(jì)劃二維材料研究：面向新興技術(shù)的基礎(chǔ)項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)資助及港大-TCL人工智能聯(lián)合研究中心的種子基金「量子啟發(fā)可解釋人工智能」的資助。我們感謝港大資訊科技服務(wù)處和港大 HPC2021 高性能計(jì)算平臺(tái)，以及中國(guó)國(guó)家超級(jí)計(jì)算廣州中心天河2號(hào)平臺(tái)提供的技術(shù)支援和大量高性能計(jì)算資源，為本文的研究成果作出貢獻(xiàn)。

研究論文可在以下網(wǎng)址獲得：https://www.nature.com/articles/s41535-022-00476-0