在实验室中，令固体材料内部产生量子纠缠很是困难，但埋在地下的晶体却天然会在生长过程中发生量子纠缠。现在，有一位科学家声称自己已经找到了相关证据。
对于矿物学家来说，矿山无时无刻不在诱惑他们。矿山就是地球的大地皮肤裂开后露出的血管，进入其中的人们期望发现未知的奇迹。20世纪70年代，伊朗小镇阿纳拉克附近的卡利卡非矿就满足了科学家的这番期待。约阿希姆 · 奥特曼（Joachim Otteman）和达利乌斯 · 阿迪卜（Darius Adib）在矿区飞扬的尘土和砂石中看到了翠绿色的光芒。
他俩采集了矿物样本，回到实验室后分析其结构。彼时，他们只知道这种矿物此前从未被记录、分类过，便命名它为“水锌铜绿”，然后就遗忘了几十年、未加研究。当时，他们不知道自己发现的这种泛着翠绿色光芒的石头内藏着非凡的量子奥秘。
水锌铜绿后来被重新命名为“赫伯特史密斯石”，它可不是什么普通的石头，有可能是一种被称为“量子自旋液体”（QSL）的罕见物质。量子自旋液体是否会在自然状态下产生是一个很有争议的问题，但如果答案是肯定的，那就意味着高度纠缠的量子态可以在自然状态下产生。当然，物理学家知道怎么产生纠缠态，但方式仅限于利用光粒子或超冷原子等寥寥数种。到目前为止，他们还无法在大块物质中实现纠缠。
像赫伯特史密斯石这样的矿物则表明，量子纠缠或许并不是必须由我们人为制造，而是可以天然存在。我们可以利用这类矿石把量子计算机推向全新的实用领域。
美国伊利诺伊州阿贡国家实验室研究员迈克尔 · 诺曼（Michael Norman）说：“量子自旋液体的整个机制有点像是一张互相纠缠的网络，或者说有点像蜂群，全都集体思考、集体行动。如果大自然做得比我们在实验室中还好，那就太棒了。”
对于那些没有进入那座伊朗矿场的研究人员来说，量子自旋液体的故事开始于1973年。彼时，凝聚态理论物理学家菲利普 · 安德森（Philip Anderson）倒是没有为闪闪发光的矿物所困扰，他就是坐在办公桌前，拿着笔和纸，用数学计算研究量子自旋。所谓量子自旋就是量子粒子拥有的一种特性，这种特性使它们能够表现得像小条形磁铁那样。举例来说，磁铁可以吸附在你家的冰箱门上，是因为磁铁内的原子自旋锁定成了一种特定的模式。安德森当时则构想了一种情形，在这种情形下，量子自旋永远不会像冰箱上的磁铁那样被锁定，即便通过技术手段压低它们的温度和能量，量子效应也会使这些量子粒子在不同方向上抖动。他明白这是一种新的物质状态，并写道：“我得在这里加个免责声明，我们对此确实知之甚少。”安德森并没有找到描述这种状态的合适数学公式，但实际上，他构想的那种永远抖动的磁铁就是一种量子自旋液体。
利用天然存在的量子纠缠状态
量子自旋液体之所以那么独特，是因为它们的自旋是通过量子纠缠联系起来的。如果有两个粒子处于纠缠状态，那么它们就会共享一个量子态，其中任何一个的变化都会立刻影响到另一个。如果某种材料的量子纠缠程度达到最大，它就可能进入一种截然不同的状态——磁铁的所有原子自旋都相互纠缠之后，就会转变成量子自旋液体。而在一种天然存在的矿物中发现程度如此之高的量子纠缠态，无异于发现了量子金矿。
这是因为这项发现可以解决量子计算机面临的一大难题：级联错误。目前应对级联错误的方式是把量子计算机处理的信息分散到其各个组成部分。一般来说，这就要求添加各种组件，然后想办法让它们与计算机的其余部分纠缠起来。然而，如果我们一开始就用量子自旋液体建造量子计算机，那么就跳过了这个难题，因为量子自旋液体本身就是互相纠缠的。
当然，要想实现这个目标还需要解决许多细节问题，但无论如何，利用量子自旋液体打造量子计算机的广阔前景已经激发了不少理论研究。不过，这些研究都必须先解决一个更大的前置问题：量子自旋液体在自然界中是否真的存在？有观点认为，赫伯特史密斯石就是支持量子自旋液体存在的关键证据。
美国加利福尼亚斯坦福直线加速器中心的物理学家李修永（Young Lee，韩裔，音译）整个学术生涯都在研究赫伯特史密斯石以及其他类似的矿物。现在，他认为，他的团队已经拿到了证明这类矿石切实具备量子特性的坚实证据。
赫伯特史密斯石内部含有多层具有磁性的铜原子，各层之间由不具磁性的锌原子隔开。其中的铜原子排布构成一种“笼目模式”，也即铜原子的排布像一个又一个互相连接的竹笼网眼。通常情况下，铜原子会翻转相邻原子的自旋状态，但笼目模式使得自旋状态翻转后不可能保持稳定，也即原子自旋无法互相锁定成某种静态模式。笼目模式下的原子自旋状态的数学模型表明，无需额外能量，其中部分原子的自旋状态就能反复波动，这听上去就很像是始终振动的量子自旋液体。
因此，乍看起来，赫伯特史密斯石很可能就是一种天然存在的量子自旋液体，其平滑表面下的各个原子因彼此纠缠而导致自旋状态不断翻转。然而，要想切实证明这一点相当困难，李修永此前多年都在研究这一课题。
美国佛罗里达州立大学的希特什 · 钱格拉尼（Hitesh Changlani）说：“从一开始我们就知道，在数学上证明笼目模式总能催生量子自旋液体难度极大，各种近似证明在理论物理学家中都饱受争议。”要想彻底证明这个问题，唯一的方法就是在实验室里把它造出来。
制造量子矿物
2007年，李修永找到了突破口，当时化学领域的一项突破促使他和同事开始从零起步合成赫伯特史密斯石。赫伯特史密斯石在自然界中相当罕见，纯度更是不一，人工合成方法让他们能够更好地掌控矿物的纯度。钱格拉尼说，相关合成实验的第一批正式报告在物理学界引发了轰动。香港大学物理学教授孟子杨表示，由此，他们终于有了可以检验理论的实物。
接着要面对的就是一个全新的问题：到底要测量什么才能证明目标矿物确实具备量子自旋液体的量子特性？
首先，物理学家并不知道要如何直接测量一大块物质的量子纠缠效应，所以，就目前来说，根本就不可能直接观察到量子自旋液体拥有的任何量子特性。某些实验把希望寄托在测量自旋方向上，这个想法很好，但要取得有说服力的结果，相关实验就必须在接近绝对零度的温度下进行。这种苛刻的实验条件也并非完全无法实现，但仍旧无法给出无懈可击的结果：我们的确可以让实验环境变得极冷，但只要稍有偏差，量子自旋就有可能锁定成意想不到的模式。
理论模型预言，量子自旋液体应当支持两种具有涌现性的粒子存在，一是自旋子，二是漩涡子。如果我们能捕捉或拍摄到其中任何一种，便能证明目标材料处于量子自旋液体状态。遗憾的是，现有的实验似乎无法实现这一点，因为自旋子和漩涡子都没有电荷，所以一般的电荷探测手段完全无法确定这两类粒子的存在。出于以上种种原因，许多旨在检验量子自旋液体的实验都遭遇了瓶颈。
不过，李修永和他的同事把注意力集中在了另一条可能同样具有决定性意义的路线上：非弹性中子散射。研究人员用中子轰击矿物样品，并根据反弹出来的粒子的能量和动量判断样品是否含有自旋子。2025年，李修永和他的同事用这种方法检验了赫伯特史密斯石和另一种类似矿物“锌巴洛云石”，后者同样是一种原子排布呈笼目模式的亮绿色晶体。实验结果让李修永等人确信，搜寻量子自旋液体之旅应该可以画上句号了。
相关工作可以称得上一次发生在实验室内的奥德赛之旅。光是在实验室中人工合成赫伯特史密斯石就要花上接近一年的时间。研究人员在石英试管中混合并加热必要的化学物质后，就必须等待足足10个月，才能让它们通过化学反应缓慢“长出”矿物。这些试管中有一半以上什么结果都不会有，剩下那些能够产生赫伯特史密斯石的，产量也很少。培养锌巴洛云石也同样耗时，甚至难度更高：原料会侵蚀试管壁，所以研究人员必须想办法用特氟龙做内衬。
最后得到的矿物晶体全都少到只有指尖大小。李修永说：“我们也不知道产量是否足够，反正最后就是打破石英试管，然后收集晶体碎片，最后得到的就是一大堆只有几十毫克甚至更少的晶体块。然后我们像拼拼图那样把它们一点点拼接起来，形成更大的晶体。”
最后，他们把培育产物带去位于美国橡树岭国家实验室，那里有最好的中子散射设备，可以检验他们得到的矿物究竟有什么性质。在橡树岭国家实验室内，赫伯特史密斯石和锌巴洛云石被封锁在温度仅仅高于绝对零度2开的金属室中，承受以每秒数百米速度运行的中子的轰击。
对李修永和他的团队来说，这一切都值得：他们在分析轰击结果后认为，赫伯特史密斯石和锌巴洛云石都是量子自旋液体。李修永说：“我个人肯定是有倾向的，但我觉得任何理性的人在看过实验结果后都应该得到相同的结论。”
并不买账
然而，分歧仍旧存在。位于美国加利福尼亚的斯坦福大学的物理学家斯蒂文 · 基威尔森（Steven Kivelson）说：“要想100%肯定地宣称你们发现的就是第一个量子自旋液体样本，那相关证据必须过硬，标准必须极其严苛。”
诺曼表示，赫伯特史密斯石和锌巴洛云石的例子都还谈不上过硬，问题出在它们的原料并不完美。这两种矿物都有铜原子，有时会出现“孤立自旋”现象，同时也都可能含有物理学家不希望看到的磁性矿物灰尘。中子和孤立自旋子发生相互作用产生的信号与同自旋子发生相互作用后产生的信号类似，这样你便无法分辨目标矿物究竟是量子自旋液体还是一块磁性混乱的磁体。诺曼说：“会有人质疑是不是因为矿物不纯才出现了你看到的现象。这很棘手。”
正是出于这点，李修永的大部分精力其实都放在了降低矿物内部的无序程度上，并且要详细了解其内部的无序情况。基威尔森说：“李修永在这方面是个人物，他专注、耐心，令人钦佩。”
锌巴洛云石的结构与赫伯特史密斯石有些许不同，其内部的无序原子以不同方式散布在笼目模式中。基威尔森和诺曼都表示，这两种矿物存在这类差异，却都体现出类似量子自旋液体的特征，这倒是说明，它们体现的这种量子特性并非源于其内部的无序原子。基威尔森说：“我觉得这点倒是有利于支持李修永的判断。”
推动物理学家情绪慢慢转向乐观的，还不只是这两种泛着翠绿色光芒的矿物材料。另有一个团队在一种由钇、铜和溴构成的材料（这种材料的原子分布同样呈笼目模式）中发现了非常明显的自旋子特征。孟子杨就是这个团队的一员，他表示，不排除未来有实验推翻他们的发现，但他本人很乐观，认为他们团队发现的就是量子自旋液体的信号。他说：“就我个人而言，我觉得现在的证据已经足够充分了。”
钱格拉尼和他的同事也看到了类似的迹象。他们提出了三维量子自旋液体的理论模型，解决了量子自旋液体的粒子自旋分布模式需要用到三个空间维度的问题。他们用中子轰击一种由铈、锆和氧制成的实验室材料，在散射数据中寻找量子自旋液体的特征，探究纠缠和自旋抖动如何影响材料对热的反应。这些实验的结果与三维量子自旋液体的理论模型相当吻合，足以使他们相信量子自旋液体的确天然存在，并且存在于多种不同的材料结构中。钱格拉尼说：“现在有越来越多的证据表明，量子自旋液体切实存在。”
基威尔森则表示：“有一种很流行的观点认为，只要有一个一锤定音的实验就能确定一切。然而，其实最常出现的情况是，我们通过无数个实验构建了一整条证据链，这条证据链有多个源头、多重视角，却都指向同一条结论，最后，即便这条证据链中的某一环被证明存在瑕疵，也不妨碍最后得到的结论。”从这个角度上说，研究人员现在就处于编织证明量子自旋液体存在的证据链的过程中。
诺曼则希望在彻底解决量子自旋液体是否天然存在的问题之前就掌握具有决定性意义的技术手段。最重要的是，他希望物理学家能够更直接地测量和操控自旋子或漩涡子。毕竟，自旋子可以携带热量，而热量是可以测量的。另一种选择则是强迫两个可能是量子自旋液体的粒子互相环绕，然后再通过我们可以根据数学模型精确预测的方式改变它们的性质。诺曼表示：“这样的实验说服力非常强，是证明量子自旋液体天然存在的绝好方式，也是必由之路。”
此外，以这种方式控制粒子运动对任何希望利用量子自旋液体来打造的量子计算机都非常重要，因为在这样的量子计算机中，许多计算步骤都应该是由互相绕转的漩涡子和自旋子构成的。
量子计算机本身甚至都可能会在构造未来迟早会出现的基于量子自旋液体的替代版本的过程中发挥作用。举个例子，我们完全可以利用量子比特（量子计算机的基本组成部分）模拟自旋，而不是在实验室中用化学方法培育铜原子，从而在量子计算机内部就创造出量子自旋液体。诺曼表示，目前的量子计算机的规模和可靠程度都不足以胜任类似的任务，但近期就有可能取得突破。他估算，未来5年，就会有一些量子计算公司能够产生足够执行此类任务的无错误量子比特。
对李修永来说，他的研究基础就是当下的材料科学和化学技术。这个方向并不怎么吸引人，也没有什么炒作，但他清楚自己和他的团队应该做什么：“我们现在的愿望就是要让整个物理学界相信，至少在赫伯特史密斯石和锌巴洛云石中存在量子自旋液体。”
如果他们能够赢得材料物理学界的支持，那么后续是否会导致全球范围内对此类矿物的大规模开采？即便这能成真，李修永也还有顾虑，他担心地球还没有足够的时间产生完美的量子自旋液体，因为这类矿物通常很小，并且含有不可预测的杂质。
另一方面，诺曼则表示，有数种类似赫伯特史密斯石的天然矿物也颇值得关注，只要它们的缺陷更少就更有可能出现完美的量子自旋液体晶体。
在阿纳拉克首次现身后，智利的某些矿井中也同样出现了赫伯特史密斯石。诺曼表示，听说有物理学家在收集此类岩石样本，希望他们挖到能证实具有量子纠缠特性的矿石。
资料来源 New Scientist
