（通讯员 赵玉倩）4月25日，《自然·通讯》（Nature Communications）在线刊发了国家脉冲强磁场科学中心李岳生教授团队题为“Quantum annealing of a frustrated magnet”的论文。中心硕士生赵玉倩为论文第一作者，李岳生教授、北京航空航天大学王艳成副教授为论文共同通讯作者，中心王俊峰研究员、硕士生马兆华以及中科院福建物质结构研究所何长振研究员、中科院物理研究所廖海军副研究员参与相关研究工作。

退火是系统自动寻找最优解（即能量最低状态，简称基态）的过程。“退火”具有广阔且重要的运用场景，尤其是复杂系统从可能解中自动找到最优解的过程，如材料高温退火、更新退火算法等。常见的退火现象发生在相对高温，被称为经典退火。相对高温下，热涨落强，系统易自发从亚稳态逐渐向基态演化。而在极低温下，热涨落几乎为零，系统可能卡死在亚稳态，退火被迫终止。这时如果通过外界手段增强系统的量子涨落，引发隧穿效应，可能使得退火继续发生，这被称为量子退火。量子退火在未来量子计算和信息技术等领域具有广泛应用前景。

在无明显化学无序的α-CoV₂O₆单晶中，铁磁（相互作用强度：J ~ 30K）的(Kramers Co²⁺) Ising自旋链通过反铁磁链间耦合形成阻挫的三角晶格。该研究工作实验表明，该系统在~ 1K以下(远小于J)卡死在低磁化强度的亚稳态：在15小时的测量窗口内没有观测到任何进一步的退火现象。大尺度经典蒙特卡洛计算表明，该系统在低温下卡在拓扑的Kosterlitz-Thouless亚稳态，与实验符合。外加横向磁场可以强制破缺系统的时间反演对称性，微弱劈开Co²⁺的Kramers双重简并单离子态，等效于施加一个微弱的横场（一般小于~ 0.1K），但隧穿几率可以增加8个量级左右，从而诱导多体量子退火，系统迅速进入磁化强度较高的状态（更稳定）。极低温测量表明，由于量子退火效应自旋系统的弛豫时间缩短为10秒左右。施加弱横场的量子蒙特卡洛模拟计算自然地解释了上述实验现象。

经典退火（左）和量子退火（右）示意图

该研究中，高质量单晶样品由王俊峰研究员和何长振研究员提供，大规模量子蒙特卡洛研究由王艳成副教授完成，廖海军副研究员提供了理论指导。中心提供了必要的实验条件，包括支持搭建了极低温实验平台，低温团队提供实验所需液氦，王辉老师加工测量模块零件等，保障了实验的顺利开展。

该工作得到了国家重点研究发展计划、国家自然科学基金和中央高校基本科研基金等项目支持。

论文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-024-47819-y