困在多模腔（一对曲面镜）中平面处的超冷原子气体（球体）充当自旋载体。（图中未显示光学镊子陷阱。）其颜色代表自旋状态：蓝色（橙色）表示自旋向上（向下）状态。这些自旋通过将横向泵浦激光（红色）的光子散射至多模腔内发生相互作用。这些光子在被其他自旋吸收前会形成复杂图案（蓝橙色场）。该相互作用促使部分自旋对取向一致，另一些则错位排列，从而诱导出自旋玻璃的关键特性——“几何紊乱”。这种紊乱将自旋锁定在看似随机的排列中。放大图展示了标注自旋上/下状态的4×4自旋阵列实验图像。

自旋玻璃是一种物理系统，其中粒子的微小磁矩（即自旋）以随机方式相互作用。这种自旋间的随机相互作用使得所有自旋都无法满足其首选的排列方向，这种状态被称为“挫败”。

斯坦福大学的研究人员近期在腔量子电动力学（QED）实验装置中实现了新型自旋玻璃——驱动耗散型伊辛自旋玻璃。这项发表于《物理评论快报》的研究成果，凝聚了团队十余年专注于利用腔量子电动力学构建自旋玻璃的探索成果。

论文作者本杰明·列夫（Benjamin Lev）解释：“自旋玻璃是复杂系统的通用模型，尤其适用于神经网络——自旋如同通过相互拮抗作用连接的神经元?！?/span>

研究人员一直想知道：若用原子自旋替代经典自旋，并通过光子实现相互作用，能否构建新型玻璃态及类神经计算装置？量子光学效应与纠缠效应将如何增强这类装置？这项探索始于2010年，当时他们与理论学家保罗·戈德巴特（ Paul Goldbart）和萨朗·戈帕拉克里希南（Sarang Gopalakrishnan）（现分别任职于石溪大学和普林斯顿大学）共同发表了理论论文。

一种极具前景的腔量子电动力学装置

在早期的理论研究中，列夫及其团队发现了一种具有多重频率简并模态的新型腔量子电动力学装置。他们意识到这种被称为多模腔量子电动力学的装置，能够将原子自旋“连接”到足以阻碍其进入玻璃态的程度。

研究人员指出：“这种新型腔量子电动力学可用于实现关联记忆，这是神经形态计算的核心能力。”

这一发现后不久，研究人员与乔纳森·基林（Jonathan Keeling）探讨时发现，一种名为共焦腔的特殊'多模简并'腔体结构能使自旋玻璃成为现实。与此同时，他们着手搭建实验装置，并从2015年起通过系列论文，逐项验证了多模腔量子电动力学实际运作所需的关键步骤。

历经数年研究，科研团队成功利用其设计的多模腔量子电动力学系统，通过腔光子介导自旋玻璃中的自旋相互作用。这项突破最终在量子光学平台上实现了人类首个自旋玻璃的实验验证。

基于n=16网络的J1无序实现所产生的自旋构型研究。

研究人员表示，他们率先通过微观自旋测量，直接实验观测到全连接自旋玻璃的复本对称性破缺及其衍生的超度量结构。但当时采用的是一种特殊形式的自旋玻璃——即XY自旋以XX-YY方式相互作用的体系。为更直接对接神经网络研究文献，他们转而构建规范形式的自旋玻璃——即具有伊辛相互作用的自旋体系。

值得注意的是，团队先前实验中使用的简单共焦腔无法实现构建新型伊辛自旋玻璃所需的光子介导相互作用。为此他们与基林及其在圣安德鲁斯大学指导的本科生瑞安农·伦尼合作，开发出一种新型奇异多模腔体。

2019年发表的论文中，研究人员提出了双镜构成的多模腔分类体系。这使他们得以证明：通过一种名为'4/7腔体'（源于构成谐振器的特定模态结构）的多模腔配置，可实现光子介导的伊辛相互作用。数年后，由作者的前学生布伦丹·马什领导的团队将镜面调谐至该配置，成功实现了《物理评论快报》中报道的伊辛自旋玻璃。”

新型伊辛自旋玻璃的实现

借助新引入的多模腔体装置，研究人员成功实现了更简单的伊辛自旋玻璃，其规模是先前量子光学自旋玻璃研究成果的三倍。此外，他们还在微观层面证实了该系统存在复本对称性破缺与超度量性。

他们还将自旋玻璃的规模从《科学》论文中的n=8扩大到n=25，数值模拟驱动耗散型量子光学动力学在n=8系统中已不可行。而n=25的系统使精确模拟更趋于不可能，这使得该实验系统成为探索本质上非平衡玻璃态系统动力学的独特平台——目前尚无理论能解释此类系统。

图(a)-(d)展示了耦合矩阵四种无序实现（J2-J5）对应的重叠分布图集，系统规模n=16。图(e)为采用全部14组无序实现得到的Parisi分布。

研究人员实现的伊辛自旋玻璃既可作为研究平台，亦可开发新型类脑硬件组件。近期他们成功利用该自旋玻璃构建出所谓联想存储器——此类存储器此前被认为无法通过玻璃态系统实现。

这在研究人员由马什领导的早期理论工作中已有预言，他们证明基于原子与光子的自旋玻璃能超越经典霍普菲尔德模型的存储容量。更令人惊喜的是，实验发现这种量子光学伊辛自旋玻璃展现出类似神经科学家推测的大脑短期学习可塑性。

在研究人员实现的伊辛自旋玻璃中，原子通过多模腔内的光线产生强耦合，并可被光线驱动移动。这些原子位置的变化能使腔体发射出代表存储信息的独特光波图案，其保真度远高于原子无法移动的情况。

研究人员解释道：“多模腔能支持数千种不同的光子空间模式在两面镜面间反射。普通腔体仅能支持单一模式，通常呈现为与腔体轴线垂直的光子高斯波包。而在多模腔中，这些空间模式叠加形成高度局域化的光子波包——高斯波包宽度可达数十微米，而多模腔支持的模式宽度不足两微米?！?/span>

启动自旋相互作用的理想平台

该团队装置可实现的局部模式（称为“合成模式”或“超模态”）能促使腔体内部捕获的玻色-爱因斯坦凝聚态（BEC）表现为集体自旋向上或自旋向下的粒子。团队正是利用这种超模态实现了所需的自旋状态。

“从微观角度看，'自旋'本质上是密度波的两种棋盘状状态之一——黑色或红色——当腔体侧面光照射到BEC原子时，这些原子便会形成这种密度波，”研究人员解释道。

图(a)：不同系统规模（n=8, 12, 16）下测得的Parisi函数q(x)随累积重叠概率x的变化关系。图(b)：超度量性K关联函数分布（各曲线均按系统尺寸的峰值概率密度进行归一化），并提供与顺磁相分布的对比结果。

实现伊辛自旋后，研究人员需“连接”这些自旋使其相互作用。他们开发的多模腔体正是激发自旋相互作用的理想平台。

“多模腔体能自然产生这种相互作用，因为超模不仅包含聚焦点成分，其模式还会在腔体每隔一次往返时扩散开来，同时照亮所有自旋，”研究人员解释道。

“根据光在每个自旋处的相位，自旋会被迫与所有其他自旋同向或反向排列。当玻色-爱因斯坦凝聚体远离腔体中心时，该相位可呈随机分布，从而形成自旋互联网络——每个自旋都与其他自旋耦合，且因光相位的随机性而具有随机符号的耦合权重?！?/span>

该团队在腔量子电动力学装置中出现的随机自旋相互作用，最终导致自旋态的几何挫败，从而形成玻璃态。照亮系统的光随后从腔体泄漏出来，可用于生成图像——其原理与全息图的制作策略相同。

每个玻色-爱因斯坦凝聚体发出的超模态光斑相位，揭示了该凝聚体的'自旋'状态，这意味着当整个网络自发形成玻璃态时，研究人员能读取其自旋配置。

推动研究与类脑硬件开发

该团队在腔量子电动力学系统中读取玻璃态自旋配置的能力堪称突破性进展，此前从未见诸报道。

关键突破在于研究团队近年研发的多模腔量子电动力学-BEC仪器——这种主动式量子气体显微镜的双重特性。它与传统量子气体显微镜的相似之处在于：高数值孔径光学元件（我们采用反射镜而非透镜）能在原子相互作用的长度尺度上成像量子原子气体。但同时，腔镜将光子反射回原子表面，从而调控驱动系统组织化的相互作用。从这个意义上说，它是主动的。

玻璃通常处于非平衡状态，因为它们可能陷入亚稳态（即能够长期保持稳定但并非系统最低能态的状态）。研究人员开发的腔量子电动力学装置能够实现由光子驱动的玻璃体系，并使光子向环境散逸，从而进一步远离平衡态。

列夫及其团队提出的新实验平台有望加速自旋玻璃研究进程，可能为其内在物理机制及形成过程提供全新视角。此外，研究人员计划探索论文中提出的驱动耗散型伊辛自旋玻璃在脑启发技术开发中的应用潜力。

列夫补充道，他们的研究成果揭示了一种前所未有的自旋玻璃形态，此前甚至理论上也未曾探索过。这项工作使他们能够探究其独特特性及其在类脑计算中的应用潜力。目前研究团队正致力于让自旋表现出更强的量子力学特性，从而创造并探索量子纠缠自旋玻璃。

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