文｜John Butcher
昆山杜克大学物理学助理教授黄明重（Myung-Joong Hwang）博士和应用数学专业大三学生赵津辰近日在国际知名物理学术期刊《物理评论快报》（Physical Review Letters）上发表了题为“受阻挫超辐射相变”的研究论文。这项研究将阻挫（frustration）的概念扩展到了光子，填补了一项空白。赵津辰参与了这一研究，为论文第一作者。
研究结果可用于为量子计算机编写算法。量子计算机是一种新兴技术，利用量子力学规律来解决对于一般电脑而言过于复杂的问题。
论文通讯作者黄明重博士认为：“人生中的挫折会让我们跳出常规框架进行思考，解决人生不同需求之间的矛盾。”
“物理学也是如此。当复杂的系统无法同时满足竞争性约束条件时，就会受到阻挫，从而不得不采取更聪明的做法，以找到折中的解决方案。因此，经常会出现异乎寻常且令人惊讶的整体性行为。”
物理学中的阻挫已在相互作用的自旋系统得到深入研究，其中每个自旋都有一个二元选择，可以向上或是向下。在这种情况下，通过要求所有相邻的自旋都朝相反方向运动会直接导致阻挫，因为放置在三个位点组成的三角形上的自旋无法满足这个要求。
光子是电磁辐射的量子单位，包括无线电波、X射线和可见光。光子本身不会受到阻挫，两束光会简单地相互穿过。然而，光子与物质混合后的相互作用会形成一种新的状态，称为超辐射相。在这种两者纠缠在一起的状态下，光子间会发生相互作用，受到阻挫。
该研究聚焦于三个位点组成的三角形模型，这些位点包含超辐射相的光子，每个位点的光子可以泄漏到相邻位点中。由于光子是波，它们可以处于正（向上）或负（向下）相位。如果每个位点都要与其相邻位点呈相反相位，就会造成一种不可能的情况，使光子在彼此相遇时产生阻挫。
该研究发现，由于无法满足与相邻位点呈相态相反的要求，受阻挫的光子会妥协，同时形成每一种潜在状态，在有三个位点的情况下，即为六种状态。
这种所有潜在状态同时存在的现象，称为量子叠加，是量子物理学的本质，也是量子计算机的基础。想象一下，普通计算机在一种状态下工作，而拥有十亿个位点的量子计算机可以同时在数十亿倍的状态下工作，使其具有更强大的计算能力。这样的计算机可以应用于多个行业，如制药和人工智能等，也可用于理论科学研究，运行对普通计算机来说过于庞大的量子模型。
赵津辰表示：“这一发现为探索光和物质耦合的受阻挫相态铺平了道路。我们希望研究结果可以通过各种量子技术，如超导电路、冷束缚离子或冷原子，得以实现。” 赵津辰介绍，对于下一阶段的研究，他将继续在黄明重博士的指导下，进一步探索受挫光子的行为、开发量子算法，以及设计用于在量子计算机上运行的问题解决指令。
