韩国国际联合研究团队确认在常温下实现量子纠缠的物质
包括我国在内的国际联合研究团队开发出了一种材料，即使在室温下也能实现量子态，从而可用于制造量子计算机。
韩国原子力研究院23日表示，该院先进量子材料研究室的Kim Jaewook博士与延世大学的Chung Taekseon博士、美国罗格斯大学的Xu Xianghan博士等合作，从实验上证明，铽铟氧化物（TbInO3）可以成为可用于量子计算机器件等的量子自旋液体（Quantum Spin Liquid，QSL）材料。
此次研究成果已于本月17日发表在国际学术期刊《自然·物理学》（Nature Physics，影响因子19.684）网络版上。
量子计算机利用量子力学所特有的叠加与纠缠特性，可以一次性同时处理大量信息。对于特定问题，其运算速度可比现有超级计算机快上数百万倍，因此量子技术被视为有望改变未来产业格局的“游戏规则改变者”技术而备受关注。
然而，要实现量子力学中的叠加和纠缠现象十分困难。在温度变化、杂质、外部电磁场等微小扰动下都会产生各种误差。要稳定地产生脆弱的量子态，需要构建接近绝对零度（零下273.15度）的极低温环境等苛刻条件。目前，能够解决量子误差的候选材料仍在多方面被研究，量子自旋液体也是其中之一。量子自旋液体是一种具有新型磁性状态的物质，可通过量子涨落实现大规模量子纠缠，被视为实现大幅降低量子误差的量子计算机所需的强有力候选材料。
自2010年代起，麻省理工学院（MIT）等研究团队从理论上预测，在量子自旋液体中，由量子纠缠产生的名为自旋子（spinon）的准粒子（quasi-particle）会与光发生相互作用，并且由于自旋子的存在，其光学电导率将与光频率的平方成正比。也就是说，如果在某种物质中发现光学电导率与光频率的平方成正比这一特性，就意味着该物质有可能是量子自旋液体。迄今为止，科研人员对大量量子自旋液体候选材料进行了验证，但由于杂质、物质构成无序等原因，始终未能在实验中确认光学电导率与频率平方成正比的现象。
研究团队首次在量子自旋液体候选材料之一——铽铟氧化物（TbInO3）单晶中成功从实验上确认了这一现象。他们首先利用可通过激光熔融制备结构均匀单晶的激光二极管悬浮带熔炉（Laser-diode floating zone），合成出高质量的TbInO3单晶。随后，向材料照射太赫兹（THz）电磁波并测量其光学电导率，开展了光谱实验。实验在从极低温到室温的宽温度范围以及多种磁场和频率区间内进行。尤其是为了降低影响实验的光内部反射效应，研究团队对样品厚度进行了精密控制。
结果表明，在特定区域内，光学电导率与频率平方成正比的关系在实验上得到了精确验证。尤其是在约摄氏27度的室温条件下，也观测到了光学电导率成正比的现象。这是首次实际确认TbInO3在室温下也能呈现量子自旋液体特性的案例。基于本次研究结果，研究团队计划进一步研究TbInO3能否被应用为无误差量子计算机的器件材料等问题。
Kim博士表示：“本次研究成果是首次从实验上验证量子自旋液体材料长期以来的理论预测”，“今后将对量子计算及量子传感器器件的设计提供巨大帮助”。
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