新发现的轴向希格斯模式有望实现室温量子计算

20世纪下半叶，粒子物理学家发展了一个优雅的理论模型，为我们理解宇宙中的基本粒子和力提供了一个框架——“标准模型”，它的主要成分之一便是希格斯（Higgs）场。希格斯场是一种无处不在的量子场，希格斯机制解释了弱相互作用规范玻色子的质量。由于量子力学中的波粒二象性，希格斯场有一个基本粒子，也就是所谓的希格斯玻色子，又称为“上帝粒子”，其理论预言更是获得了2013年的诺贝尔物理学奖。

五种希格斯玻色子内部结构模型图。来源：Wikipedia

在2022年6月8日的《自然》杂志论文《RTe3中通过量子通路干涉探测的轴向希格斯模式》[1]中，中国科学院固体物理研究所吕红艳副研究员联合美国研究团队首次发现了一种以前无法探测到的量子激发，称为轴向希格斯模式，这是希格斯玻色子的磁性类似物。

该发现有望为量子计算和量子信息科学开发和操纵更高温度的量子材料。

研究人员证实了轴向希格斯模式，这种粒子的激发被描绘成一个金色的球体。研究人员使用了拉曼（Raman）光谱，其中蓝色线条显示传入电场与粒子耦合，随后散射得到红色显示的不同频率。

与常规的希格斯模式在大型粒子对撞机中实验揭示不同，新的模式由希格斯机制产生，轴向希格斯模式在室温下便可以观测。因为不需要极低的温度，这一特性使各种应用（包括下一代存储器存储和光电器件）的量子材料操纵实验更加高效和具有成本效益。

轴向希格斯模式表现为稀土三碲化物（RTe3）中的低能激发。稀土碲化物是一类以表现出电荷密度波(CDW)相互作用而闻名的量子材料，可以在室温下进行“桌面”实验。

论文作者之一、哈佛大学助理教授、美国能源部国家量子信息科学研究中心（QSC）首席研究员Prineha Narang表示[2]，“这个结果极其简单、优雅，很难找到一个具有超净特征的新粒子而不大张旗鼓。”

为了测量轴向希格斯模式，研究人员使用拉曼光谱法——一种旨在表征复杂材料的结构、性质的技术，来观察通路干涉，这证明了量子力学控制物质的力量。他们在多个稀土CDW系统中发现了这种量子通路的干涉，这种现象一直持续到室温，并且对轴向希格斯模式与附近声子的混合或材料中的振动不敏感。

“在桌面实验中模拟轴向希格斯模式的物理学，为我们理解和使用奇异粒子开辟了新的视野。”哈佛大学NARANG实验室的博士后研究员Ioannis Petrides说[3]。

一般来说，量子活动仅在非常低的温度下显著出现，并依赖于有限液氦供应的稀释制冷机。尽管在实验中，该团队确实冷却了他们的CDW样品，但他们随后发现，随着材料温度升至室温，特征或光谱测量产生的波长仍然保持干净。研究人员预计，轴向希格斯模式也可能存在于其他地方，包括超导体和磁性材料，这将使实验者能够在不依赖极端条件或大规模设施的情况下研究和优化量子系统。

“人们对轴向希格斯模式很感兴趣，因为它提供了一个类似可识别的指纹，一个可识别的量子系统而不需要看到涉及的所有物理场，”Narang说，“如果你需要研究一种未知材料来确定它是自旋液体还是超导体或是其他东西，那么对集体模式光谱进行指纹识别的能力会使你能够轻松地在光谱上表征它。”

这项工作建立在之前许多研究工作的基础上，标志着在量子材料中寻找包括轴向希格斯模式的奇异集体模式（exotic collective modes）的重要里程碑。Narang将这一成就描述为多学科研究向前迈出的重要一步，是高能物理学与凝聚态物质之间的交叉进步。

[1]https://www.nature.com/articles/s41586-022-04746-6

[2]https://www.hpcwire.com/2022/06/08/newly-observed-higgs-mode-holds-promise-in-quantum-computing/

[3]https://qscience.org/evasive-quantum-phenomenon-makes-debut-in-routine-tabletop-experiment/