研究人员已经设计出一种突破性的量子人工材料，展示了一种被称为高阶拓扑量子磁体的新型量子态。

这种新的状态可以提供前所未有的抗退相干保护，通过其强大的拓扑激发来增强量子技术，这些拓扑激发的量子相干性高于其各个组成部分。

量子态形成

当不同的量子态组合时，可以出现新的集体物质态。在量子领域，组合如原子等具有量子效应的组件可以产生宏观量子物质态，其特征是具有在其他任何地方都不存在的奇异量子激发。

在阿尔托大学和中科院物理研究所的合作中，研究人员利用氧化镁基体上的磁性钛原子，逐个原子地构建了人造量子材料。然后，他们精心设计了材料内部原子的相互作用方式，以期产生新的量子物质态。阿尔托大学的助理教授何塞·拉多（Jose Lado）创建了拓扑量子磁性的材料设计的理论模型，而中科院物理研究所副教授杨凯领导的研究小组则利用扫描隧道显微镜的原子操作构建并测量了人造材料。

发现了一种新的量子态

因此，研究人员首次展示了一种新的物质量子态，即高阶拓扑量子磁体。这种拓扑磁体可能代表了一种在量子技术中实现显著抗退相干性的新方法。

这项研究于 8 月 29 日在《自然纳米技术》杂志上发表。

量子技术的潜在应用

除了从基础科学的角度来看很有趣之外，这种新型量子磁体等拓扑量子多体物质还可能对未来量子技术产生革命性的影响。

拉多说：“创建多体拓扑量子磁体使探索物理学中一个令人兴奋的新方向成为可能。拓扑量子磁体中的激发具有与传统磁体截然不同的特性，可能使我们能够创造出超越当前量子材料能力的新物理现象。”

量子磁学与材料操控

量子磁体是一种实现磁态量子叠加的材料，将量子现象从微观尺度带到宏观尺度。这些材料具有奇异的量子激发特性，包括分数激发，其中电子的行为就像被分成许多部分一样，而这些特性在该材料之外并不存在。

为了控制研究人员所组装的量子材料内部原子的行为，他们使用一根细小的针来拨动每一个单独的原子。这种技术可以在原子层面上精确探测量子比特。这根针实际上是一个原子级尖锐的金属尖端，用于激发原子的局部磁矩，从而产生具有增强相干性的拓扑激发。

“拓扑量子激发，比如我们现在构建的拓扑量子磁体中的那些，可以对退相干提供实质性保护。最终，这些奇特激发所提供的保护可以帮助我们克服当前可用量子比特面临的一些最紧迫的挑战，”拉多说。

实验观察与未来影响

在他们的实验中，研究人员观察到拓扑激发对扰动具有抗性，这是拉多在理论设计中也预测到的一个特性。研究结果还表明，拓扑激发的量子相干性高于其原始单个组分的相干性。这一发现可能为研究人员将人工量子材料转化为受相干性保护的量子信息构建块提供了一条途径。

参考文献：“基于表面原子自旋的拓扑量子磁体的构建”，作者：王浩、范鹏、陈静、江丽丽、高鸿钧、Jose L. Lado、杨凯，2024年8月29日，《自然·纳米技术》。DOI: 10.1038/s41565-024-01775-2