Magnetic Memory and Hysteresis from Quantum Transitions: Theory and Experiments on Quantum Annealers

近一个世纪以来，科学家们一直使用一种简单的测试来理解材料如何记忆其过去。通过对一块铁施加磁场并随后缓慢反转，他们观察到一种滞后现象：当外部力量发生变化时，材料并不会立即翻转其磁方向。相反，它会产生抵抗，保持其原始取向，直到相反的力量足够强大以打破其抓力。这种被称为磁滞（hysteresis）的现象，是磁铁能够存储数据以及某些材料能够充当存储设备的原因。在日常物理学的经典世界中，这种行为是众所周知的，它依赖于存在能够抵抗变化的稳定磁区域。然而，经典物理学的一个基本规则指出，在一个一维磁原子链中，这种抵抗是不可能存在的。由于缺乏创造复杂、稳定结构的额外维度，这些线条应该会随着施加的场而瞬间且完美地翻转，从而不表现出任何记忆。

这为现代物理学创造了一个令人困惑的局面。研究人员最近开始使用强大的量子计算机，特别是那些旨在解决复杂优化问题的设备，来模拟磁性材料。这些机器在接近绝对零度的温度下运行，并利用奇特的量子力学规则，即粒子可以同时存在于多种状态中，并且可以隧穿障碍。因为这些量子系统旨在快速逃离被困状态并找到最佳解，人们曾预期它们会消除导致磁滞的那些记忆效应。然而，当科学家在这些机器上进行实验时，他们发现了截然相反的结果。即使是在包含数千个量子比特的一维线结构中，系统也拒绝立即翻转。它表现出一种顽固的抵抗，一种清晰的记忆，以及一种挑战经典预期的滞后。这一发现表明，量子力学不仅没有抹除记忆，反而能创造出全新种类的记忆。

在一项新的研究中，来自洛斯阿拉莫斯国家实验室的研究团队致力于理解这种令人惊讶的行为。他们使用了三代不同的 D-Wave 量子退火机，这些是包含数千个超导量子比特的专门化计算机。研究人员将这些机器编程为长环状磁自旋，其中一些环包含多达 4,906 个独立单元。然后，他们施加了一个方向缓慢变化的磁场，模拟经典的磁滞测试。结果是惊人的。即使在一维环中，即经典物理学预测不存在抵抗的地方，量子系统也表现出了明显的“矫顽力”（coercivity），即衡量翻转磁化强度难易程度的指标。系统不仅仅是翻转，它还产生了犹豫，形成了一个数据环，证明了它正在记忆其先前的取向。这种记忆即使在经典理论认为被禁止的机制中依然存在。

为了解释这是如何发生的，该团队开发了一个结合了看待该问题两种不同方式的新理论框架。他们意识到，该系统表现得像是量子机器与经典机器的混合体。在量子侧，系统在能量状态之间经历快速、离散的跳跃，类似于粒子穿过墙壁进行隧穿。在经典侧，一旦这些跳跃发生，系统表现为一个移动边界（或称“畴壁”）的集合，这些边界分隔了具有不同磁排列的区域。研究人员发现，记忆效应源于这两个过程之间的相互作用。量子跳跃创造了并非最低能量构型的激发态，而畴壁的运动决定了系统重新回到稳定状态的速度。由于系统会在这些激发态中停留一段时间，它无法立即翻转，从而产生了观察到的滞后。

该研究证实，这种行为并非仅仅是硬件的故障，而是一种真实的物理现象。研究人员观察到了只有量子系统才能产生的特定特征，例如对磁场的暂时负响应和非单调反转，即磁化强度在稳定下来之前会以复杂的模式前后翻转。这些特征在他们的计算机模拟中得到了重现，模拟方法是在计算精确量子跃迁与建模磁边界运动之间交替进行。模拟结果与量子退火机的实验数据几乎完美匹配，捕捉到了磁滞回线的形状以及记忆效应随场扫掠速度变化的方式。

最重要的发现之一是，这种量子记忆与普通材料中的热记忆截然不同。在标准磁铁中，热量有助于材料翻转。而在这些量子实验中，即使系统冷到热涨落可以忽略不计的程度，记忆依然存在。相反，这种记忆是由磁场变化的速度与量子态之间的自然能隙之间的竞争驱动的。如果场变化得太快，系统就无法跟上，从而陷入高能态；如果变化得慢，系统则有时间进行弛豫。研究人员发现，通过调节量子力的强度和扫掠速度，他们可以控制记忆效应的大小，从而随意缩小或扩大磁滞回线。

团队还探讨了系统规模如何影响这种行为。他们测试了从仅有 4 个量子比特到接近 5,000 个量子比特不等的环。在最小的系统中，量子效应最为显著，但即使在最大的环中，记忆效应依然稳健。这表明，该现象并非小规模的异常，而是量子系统在非平衡态下演化的基本属性。研究人员注意到，在二维网格中，行为有所不同，需要更强的磁有序和更大的场才能翻转自旋，这与已知关于经典磁铁的知识一致。然而，一维环仍然是最令人惊讶的，因为它们表现出了经典物理学认为不应存在的抵抗水平。

这项工作确立了量子退火机作为研究非平衡动力学（研究系统在受到推拉而非处于平静状态时如何表现的领域）的强大工具。通过证明这些机器可以展示可编程的记忆，研究人员为探索量子系统如何处理信息和保留历史开辟了新途径。能够在可编程设备中观察和控制这些效应，意味着科学家现在可以以以前无法实现的方式，测试关于量子记忆和相变的理论。这项研究并非声称解决了所有关于量子磁性的谜团，但它提供了一个清晰的、经过实验验证的图景，描述了记忆是如何从量子跃迁和畴壁运动的混沌之舞中产生的。

这些发现的影响超出了实验中所使用的特定机器。研究人员开发的混合模型——将量子计算与移动边界的经典描述相结合——为模拟复杂的磁性材料提供了一种新方法。这种方法可以帮助科学家设计更好的磁存储设备，或理解那些不符合标准类别的奇异材料的行为。更重要的是，它强调了量子计算机不仅仅是更快的计算器；它们是独特的实验室，可以在其中测试和操纵基本物理定律。在一维量子系统中观察到磁滞现象，提醒我们自然界经常持有挑战我们最基本假设的惊喜，并且量子世界与经典世界之间的边界比此前认为的要更加渗透。

研究人员得出结论，实验中观察到的记忆是一种真正的量子效应，源于系统在状态之间转换和弛豫的特定方式。他们排除了结果仅仅是由热量或经典噪声引起的可能性，因为在这些因素本应可以忽略不计的条件下，该行为依然存在。相反，记忆是系统无法即时适应不断变化的磁场的直接结果，这种滞后是由量子跃迁发生所需的有限时间和由此产生的磁畴重新排列所需的时间所造成的。这项工作提供了一个具体的例子，展示了量子力学如何产生模仿（并在某些情况下超过）经典材料能力的集体行为。它表明，通过理解和利用这些量子记忆效应，我们或许能够开发出基于我们才刚刚开始理解的原理的新型计算和传感技术。