量子科学不仅加深了人类对物质结构及其微观相互作用的认识，还引入了计算和信息科学的新范式——量子计算和量子模拟。量子信息学研究获得2022年诺贝尔物理学奖，在众多的量子计算和模拟平台中，里德堡原子阵列凭借其最大的量子比特数和最高的实验精度，被认为是近年来众多可编程量子模拟器平台中最有希望展示量子优势的系统。
里德堡的光学晶格由具有显着偶极矩的单个中性碱土原子组成，这些原子被困在微观偶极阱阵列中，可以随意光学移动以形成所需的晶格几何形状。每个原子都可以被激发到它的里德堡态，一对激发态通过它们的偶极矩通过长程相互作用进行相互作用（见图1）。许多人认为这种里德堡原子阵列是近年来所有平台中实验精度和量子比特数最高的系统可编程量子模拟器，量子相变的观察和里德堡原子阵列的拓扑序特征已经以惊人的速度被报道
然而，这些光学晶格中的长程相互作用和里德伯阻挡机制有利也有弊。一方面，如上所述，它们产生了实验量子控制的高精度。然而，另一方面，他们对系统建模施加了约束。这种受量子约束的多体系统是最难以从理论和数值角度研究的系统之一。如果没有对完整的相图和新的量子相的精确理论理解，未来的实验将没有继续进行的指导。
这一难题是所有该领域的科学家都面临的，如今，由香港大学物理系研究助理Zheng Yan教授和Zi Yang Meng副教授、哈佛大学著名物理学家Subir Sachdev教授和Rhine Samajdar博士以及北航杭州创新研究院Yan-Cheng Wang组成的科研团队，对这个量子领域内所有科学家都面临的难题提出了部分实质性的解决方案，他们的研究成果发表在《自然通讯》上。
他们设计了一种新的具有软约束的三角晶格量子二聚体模型，以尽可能接近实验条件，并开发了用于量子蒙特卡罗模拟的扫描聚类算法，可以有效地解决这种软约束量子多体系统。
这些结果证实了里德堡阵列系统导出的约束模型的丰富性，并利用了由远程相互作用和里德堡阻塞机制引起的各种新现象。他们的模拟和理论分析成功地绘制出了Kagome晶格上里德堡阵列的预期相图（见图2）。他们在相图中不仅发现了预期的和常规的向列和交错型固相，还发现了具有大参数范围的奇异高纠缠Z2量子自旋液体(QSL)。
他们通过在量子蒙特卡罗模拟中设计弦算子和其他物理可观测量的非局部测量来识别这些新相，成功区分了 QSL 和平凡顺磁相之间的差异（见图3）。最令人兴奋的是，发现了一条连接奇数Z2 QSL、平凡顺磁(PM)相、甚至QSL和固相的路径，这对指导里德堡阵列实验非常有用。此外，他们还研究了Z2 QSL中分数准粒子的动力学和相互作用，以提供更多可能的实验证据。
这些结果突出了他们为里德堡列系统导出的约束模型的丰富性，并利用了由远程相互作用和 里德堡阻断机制引起的各种新阶段。多细节可以在期刊论文中找到：https://www.nature.com/articles/s41467- 022-33431-5。
这项研究获香港研资局、卓越学科领域计划二维材料研究：面向新兴技术的基础项目、国家自然科学基金委员会资助及港大-TCL人工智能联合研究中心的种子基金「量子启发可解释人工智能」的资助。研究团队感谢港大信息科技服务处和港大 HPC2021 高性能计算平台，以及中国国家超级计算广州中心天河2号平台提供的技术支持和大量高性能计算资源，为本文的研究成果作出贡献。(来源：香港大学)
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