中国科大首次实现光子的分数量子反常霍尔态

中国科大首次实现光子的分数量子反常霍尔态 成果示意图。16个非线性“光子盒”阵列囚禁的微波光子强相互作用形成分数量子反常霍尔态。霍尔效应是指当电流通过置于磁场中的材料时，电子受到洛伦兹力的作用，在材料内部产生垂直于电流和磁场方向的电压。反常霍尔效应是指无需外部磁场的情况下观测到相关效应。分数量子霍尔态展现出非平庸的多体纠缠，对其研究所衍生出的拓扑序、复合费米子等理论成果逐渐成为多体物理学的基本模型。与此同时，分数量子霍尔态可激发出局域的准粒子，这种准粒子具有奇异的分数统计和拓扑保护性质，有望成为拓扑量子计算的载体。传统的量子霍尔效应实验研究采用“自顶而下”的方式，即在特定材料的基础上，利用该材料已有的结构和性质实现制备量子霍尔态。通常情况下，需要极低温环境、极高的二维材料纯净度和极强的磁场，对实验要求较为苛刻。此外，传统“自顶而下”的方法难以对系统微观量子态进行单点位独立地操控和测量，一定程度上限制了其在量子信息科学中的应用。人工搭建的量子系统结构清晰，灵活可控，是一种“自底而上”研究复杂量子物态的新范式。其无需外磁场，通过变换耦合形式即可构造出等效人工规范场；通过对系统进行高精度可寻址的操控，可实现对高集成度量子系统微观性质的全面测量，并加以进一步可控的利用。这类技术被称为量子模拟，是“第二次量子革命”的重要内容，有望在近期应用于模拟经典计算困难的量子系统并达到“量子计算优越性”。据介绍，此前，国际上已经基于其开展了一些合成拓扑物态、研究拓扑性质的量子模拟工作。然而，由于以往系统中耦合形式和非线性强度的限制，人们一直未能在二维晶格中为光子构建人工规范场。为解决这一重大挑战，研究团队在国际上自主研发并命名了一种新型超导量子比特Plasmonium，打破了目前主流的Transmon（传输子型）量子比特相干性与非简谐性之间的制约，用更高的非简谐性提供了光子间更强的排斥作用。进一步，团队通过交流耦合的方式构造出作用于光子的等效磁场，使光子绕晶格的流动可积累Berry（贝里）相位，解决了实现光子分数量子反常霍尔效应的两个关键难题。同时，这样的人造系统具有可寻址、单点位独立控制和读取，以及可编程性强的优势，为实验观测和操纵提供了新的手段。在该项工作中，研究人员观测到了分数量子霍尔态独有的拓扑关联性质，验证了该系统的分数霍尔电导。同时，他们通过引入局域势场的方法，跟踪了准粒子的产生过程，证实了准粒子的不可压缩性质。《科学》杂志审稿人高度评价这一工作，认为这一工作“是利用相互作用光子进行量子模拟的重大进展”“一种新颖的局域单点控制和自底而上的途径”。诺贝尔物理学奖得主Frank Wilczek评价，这种“自底而上”、用人造原子构建哈密顿量的途径是一个“非常有前途的想法”，这是一个令人印象深刻的实验，为基于任意子的量子信息处理迈出了重要一步。沃尔夫奖获得者Peter Zoller评价，“这在科学和技术上都是一项杰出的成就” “实现这样的目标是多年来全球顶级实验室竞争的量子模拟的圣杯之一”。 ... PC版： 手机版：

研究人员开发出一种可以提高量子电阻标准性能的方法

研究人员开发出一种可以提高量子电阻标准性能的方法 在电子产品的工业生产中，例如在高科技传感器、微芯片和飞行控制器的制造中，精确测量电阻是必不可少的。维尔茨堡大学（JMU）拓扑绝缘体研究所的物理学家查尔斯-古尔德（Charles Gould）教授解释说："非常精确的测量在这里至关重要，因为即使是最小的偏差也会对这些复杂的系统产生重大影响。有了我们的新测量方法，我们就可以利用量子反常霍尔效应（QAHE），在没有任何外部磁场的情况下，大幅提高电阻测量的精度"。新方法的运作方式许多人可能还记得物理课上的经典霍尔效应：当电流流过导体并将其暴露在磁场中时，就会产生电压，即所谓的霍尔电压。将该电压除以电流得到的霍尔电阻会随着磁场强度的增加而增大。在薄层中和足够大的磁场中，霍尔电阻开始出现阶跃，其值恰好为 h/ne2，其中 h 为普朗克常数，e 为基本电荷，n 为整数。这就是所谓的量子霍尔效应，因为电阻只取决于自然界的基本常数（h 和 e），因此它是一个理想的标准电阻器。QAHE 的特别之处在于它可以在零磁场条件下产生量子霍尔效应。"在没有任何外部磁场的情况下运行，不仅简化了实验，而且在确定另一个物理量：千克时也具有优势。要确定千克，必须同时测量电阻和电压，"古尔德说，"但测量电压只有在没有磁场的情况下才能进行，因此量子霍尔效应是这方面的理想选择。"迄今为止，QAHE 只能在电流过低的情况下进行测量，而电流过低则无法用于实际计量。究其原因，是在较高电流下的电场干扰了 QAHE。维尔茨堡的物理学家们现在已经找到了解决这一问题的方法。古尔德解释说："我们在一个被称为多端科比诺装置的几何结构中使用两个独立的电流来中和电场。有了这一新技巧，电阻在更大的电流下仍可量化为 h/e2，从而使基于 QAHE 的电阻标准更加稳健"。"在实际应用的道路上在可行性研究中，研究人员能够证明新的测量方法能够达到基本直流电技术的精度水平。他们的下一个目标是使用更精确的计量工具来测试这种方法的可行性。为此，维尔茨堡小组正与专门从事此类超精密计量测量的德国国家计量研究院（PTB）密切合作。这种方法并不局限于量子霍尔效应。鉴于传统的量子霍尔效应在足够大的电流下也会遇到类似的电场驱动限制，因此这种方法还可以改进现有的计量标准，用于更大电流的应用。编译来源：ScitechDailyDOI: 10.1038/s41928-024-01156-6 ... PC版： 手机版：

哈佛大学的巧妙方法可以在封闭与高压下测量物质超导状态

哈佛大学的巧妙方法可以在封闭与高压下测量物质超导状态 金刚石砧单元中氮空位中心的艺术效果图，该单元可探测高压超导体对磁场的释放。资料来源：Ella Marushchenko科学家们一直渴望了解并最终利用被称为氢化物的超导富氢化合物进行实际应用从悬浮列车到粒子探测器。但是，研究这些材料和其他材料在巨大、持续压力下的行为并不实际，精确测量这些行为介于噩梦和不可能之间。哈佛大学的科学家在高压物理学领域取得了重大进展，他们创造了一种工具，可以直接对极端条件下的超导材料进行成像，促进了超导氢化物领域的新发现。高压测量的突破性进展哈佛大学的研究人员认为，对于如何测量和成像氢化物超导体在高压下的行为这一棘手问题，他们已经找到了一种基础工具，就像计算器对算术的作用和 ChatGPT 对写作五段式文章的作用一样。他们在《自然》（Nature）杂志上发表报告称，研究人员已经创造性地将量子传感器集成到一个标准的压力诱导装置中，从而能够直接读取加压材料的电学和磁学特性。这项创新来自于物理学教授姚诺曼（Norman Yao）（09-14 博士）与波士顿大学教授、前哈佛博士后克里斯托弗-劳曼（Christopher Laumann）（03-）的长期合作。高压物理学的革命研究极压下氢化物的标准方法是使用一种名为金刚石砧室的仪器，它将少量材料挤压在两个明亮切割的金刚石界面之间。为了检测样品是否被挤压到足以实现超导，物理学家通常会寻找双重特征：电阻降到零，以及附近磁场的排斥力，即迈斯纳效应（这就是为什么用液氮冷却陶瓷超导体时，它会在磁铁上盘旋的原因）。问题在于如何捕捉这些细节。为了施加必要的压力，必须用一个垫圈将样品固定住，使挤压均匀分布，然后将样品封闭在一个腔体内。这样就很难"看到"里面发生了什么，因此物理学家不得不采用变通方法，用多个样品分别测量不同的效应。"超导氢化物领域一直存在一些争议，部分原因是高压下的测量技术非常有限，"Yao 说。"问题在于不能把传感器或探针插在里面，因为所有东西都是封闭的，而且处于非常高的压力下。这使得从舱内获取局部信息变得极为困难。因此，没有人真正观测到过单个样品中超导的双重特征。"为了解决这个问题，研究人员设计并测试了一种巧妙的改装方法：他们在金刚石砧座表面直接集成了一层薄薄的传感器，由金刚石原子晶格中自然产生的缺陷构成。他们利用这些被称为氮空位中心的有效量子传感器，在样品加压并进入超导领域时，对腔室内的区域进行成像。为了证明他们的概念，他们使用了氢化铈，这种材料在大约一百万个大气压的压力下会成为超导体，物理学家称之为兆巴级。这一新工具不仅有助于发现新的超导氢化物，还能更容易地获得现有材料的这些让研究人员梦寐以求的特性，以便继续进行研究。Laumann说："可以想象，因为现在是在一个[氮空位]金刚石砧槽中制造东西，可以立即看到'这个区域现在是超导的，这个区域不是'，然后可以优化合成，并想出一种方法来制造更好的样品。"编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：

突破性方法生产的超纯硅有望引发量子计算革命

突破性方法生产的超纯硅有望引发量子计算革命 项目联合导师、墨尔本大学的戴维-贾米森（David Jamieson）教授说，今天（2024年5月7日）发表在《自然》杂志《通讯材料》（CommunicationMaterials）上的这一创新成果，使用了植入纯稳定硅晶体中的磷原子量子比特，通过延长众所周知的脆弱量子相干的持续时间，可以克服量子计算的一个关键障碍。"脆弱的量子相干性意味着计算误差会迅速积累。有了我们的新技术提供的强大相干性，量子计算机可以在几小时或几分钟内解决一些传统或'经典'计算机甚至超级计算机需要几个世纪才能解决的问题，"杰米森教授说。当一个量子比特（如原子核、电子或光子）处于多种状态的量子叠加时，它就是一个量子物体。当量子比特恢复到单一状态时，相干性就会消失，变成像传统计算机比特那样的经典物体，而传统计算机比特永远只有一个或零，永远不会处于叠加状态。量子比特或量子比特量子计算机的构件容易受到环境微小变化的影响，包括温度波动。即使在接近绝对零度（零下 273摄氏度）的宁静冰箱中运行，目前的量子计算机也只能在极短的几分之一秒内保持无差错的一致性。曼彻斯特大学的联合导师理查德-库里（Richard Curry）教授说，超纯硅允许构建高性能量子比特器件，而这是为可扩展量子计算机铺平道路所需的关键部件。"我们所能做的就是有效地创造出构建硅基量子计算机所需的关键'砖块'。库里教授说："这是创造一项有可能改变人类的技术的关键一步。"主要作者、墨尔本大学/曼彻斯特大学联合培养的博士生 Ravi Acharya 在曼彻斯特大学 P-NAME 聚焦离子束实验室准备硅芯片，以便进行富集。资料来源：墨尔本大学/曼彻斯特大学领衔作者、曼彻斯特大学/墨尔本大学库克森联合学者拉维-阿查里亚说，硅芯片量子计算的最大优势在于它使用了与制造当今计算机芯片相同的基本技术。"目前，日常计算机中的电子芯片由数十亿个晶体管组成，这些晶体管也可用于制造硅量子设备的量子比特。迄今为止，制造高质量硅量子比特的能力部分受限于所用硅起始材料的纯度。我们在这里展示的突破性纯度解决了这一问题"。贾米森教授说："新型高度纯化的硅计算机芯片可以容纳和保护量子比特，使它们能够更长时间地保持量子相干性，从而能够进行复杂的计算，并大大减少纠错的需要。我们的技术为可靠的量子计算机开辟了道路，有望在人工智能、安全数据和通信、疫苗和药物设计以及能源利用、物流和制造等领域为整个社会带来阶跃式变革。"硅由不起烟的海滩沙制成，是当今信息技术产业的关键材料，因为它是一种丰富而多用途的半导体：它可以作为电流的导体或绝缘体，具体取决于添加到其中的其他化学元素。贾米森教授说："其他人正在尝试使用替代品，但我们相信硅是量子计算机芯片的主要候选者，它将实现可靠的量子计算所需的持久相干性。"共同作者（左）David Jamieson 教授（墨尔本大学）和（右）Maddison Coke 博士（曼彻斯特大学）在曼彻斯特大学检查用于硅富集项目的 P-NAME 聚焦离子束系统。资料来源：墨尔本大学/曼彻斯特大学他说："问题在于，虽然天然存在的硅主要是理想的同位素硅-28，但也有大约 4.5% 的硅-29。硅-29 在每个原子核中都有一个额外的中子，它就像一块微小的流氓磁铁，会破坏量子相干性并产生计算误差。"研究人员将一束聚焦的纯硅-28 高速射向硅芯片，使硅-28 逐渐取代芯片中的硅-29 原子，将硅-29 从百万分之四点五减少到百万分之二（0.0002%）。"好消息是，要将硅纯化到这种程度，我们现在可以使用一台标准机器离子注入机你可以在任何半导体制造实验室找到它，并根据我们设计的特定配置进行调整。"在之前发表的与澳大利亚研究理事会量子计算和通信技术卓越中心（ARC Centre of Excellence for Quantum Computation and Communication Technology）合作进行的研究中，墨尔本大学利用纯度较低的硅材料创造了 30 秒的单量子比特相干世界纪录，并且至今仍保持着这一纪录。30 秒的时间足以完成无差错的复杂量子计算。贾米森教授说："现有最大的量子计算机拥有1000多个量子比特，但由于失去了一致性，在几毫秒内就会出现错误。既然我们已经可以生产出极纯的硅-28，我们的下一步将是证明我们可以同时维持许多量子比特的量子相干性。一台仅有 30 个量子比特的可靠量子计算机在某些应用中的性能将超过当今的超级计算机。"这项最新研究工作得到了澳大利亚和英国政府的研究资助。贾米森教授与曼彻斯特大学的合作得到了英国皇家学会沃尔夫森访问学者奖学金的支持。据澳大利亚联邦科学与工业研究组织 2020 年的一份报告 估计，到 2040 年，澳大利亚的量子计算有可能创造 1 万个工作岗位和 25 亿美元的年收入。编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：

物理学家成功地测量了微小粒子所受到的微弱引力

物理学家成功地测量了微小粒子所受到的微弱引力 量子引力的突破然而，南安普顿大学的物理学家与欧洲的科学家合作，利用一种新技术成功地探测到了一种微小粒子所受到的微弱引力。他们声称，这可能为找到难以捉摸的量子引力理论铺平道路。这项发表在《科学进展》杂志 上的实验利用悬浮磁铁探测微观粒子的引力微小到接近量子领域。量子实验的艺术印象。资料来源：南安普顿大学第一作者、南安普顿大学的蒂姆-福克斯（Tim Fuchs）说，这些结果可以帮助专家们找到我们的现实图景中缺失的拼图。他补充说："一个世纪以来，科学家们一直试图弄清万有引力和量子力学是如何协同工作的，但都以失败告终。现在，我们成功地测量到了有记录以来质量最小的引力信号，这意味着我们离最终实现引力信号如何协同工作又近了一步。从这里开始，我们将利用这种技术缩小源的规模，直到我们到达两边的量子世界。通过理解量子引力，我们可以解开宇宙中的一些谜团比如宇宙是如何开始的，黑洞内部发生了什么，或者将所有的力统一到一个大理论中。"科学界尚未完全理解量子领域的规则但人们相信，微观尺度上的粒子和力的相互作用与常规尺寸的物体不同。南安普顿的学者与荷兰莱顿大学和意大利光子学与纳米技术研究所的科学家共同进行了这项实验，实验经费来自欧盟地平线欧洲 EIC 开拓者基金（QuCoM）。他们的研究使用了一套复杂的装置，包括被称为陷阱的超导装置、磁场、灵敏探测器和先进的隔振装置。它在绝对零度以上百分之一摄氏度（约零下273 摄氏度）的冰点温度下悬浮一个 0.43 毫克大小的微小粒子，测量到了微弱的拉力，仅为 30aN 。拓展量子研究的视野南安普顿大学物理教授亨德里克-乌尔布里希特（Hendrik Ulbricht）说，这些结果为今后在更小的物体和力之间进行实验打开了大门。他补充说："我们正在推动科学的发展，这可能会带来关于引力和量子世界的新发现。我们的新技术利用极低的温度和设备来隔离粒子的振动，这很可能被证明是测量量子引力的未来方向。揭开这些谜团将有助于我们解开宇宙结构的更多秘密，从最微小的粒子到最宏伟的宇宙结构。"编译自:ScitechDaily ... PC版： 手机版：

能源科学家解释了导致金薄膜光致发光的量子力学效应

能源科学家解释了导致金薄膜光致发光的量子力学效应 1969 年，科学家们发现所有金属都会在一定程度上发光，但在这之后的数年中，人们一直未能清楚地了解这种现象是如何发生的。在纳米级温度测绘和光化学应用的推动下，人们对这种发光现象重新产生了兴趣，并再次围绕其起源展开了讨论。但直到现在，答案仍不明确。工程学院能源技术纳米科学实验室（LNET）主任 Giulia Tagliabue 说："我们开发出了非常高质量的金属金膜，这使我们处于一个独特的位置来阐明这一过程，而不受以往实验的干扰因素影响。"在最近发表于《光：科学与应用》（Light:Science and Applications）的研究中，Tagliabue 和 LNET 团队将激光束聚焦在极薄（介于 13 纳米和 113 纳米之间）的金膜上，然后分析了由此产生的微弱光晕。他们的精确实验所产生的数据是如此详细，又是如此出人意料，以至于他们与巴塞罗那科技学院、南丹麦大学和美国伦斯勒理工学院的理论家合作，重新研究并应用量子力学建模方法。光致发光是由电子及其带相反电荷的对应物（空穴）在光的作用下的特定行为方式所决定的。这也让他们首次在金中建立了关于这种现象的完整、完全定量的模型，该模型可应用于任何金属。Tagliabue 解释说，研究小组利用一种新型合成技术生产的单晶金薄膜，研究了金属越来越薄时的光致发光过程。她说："我们观察到某些量子力学效应在高达约 40 纳米的薄膜中出现，这出乎我们的意料，因为对于金属来说，通常要到 10 纳米以下才会出现这种效应。"这些观测结果提供了有关金中光致发光过程确切发生位置的关键空间信息，而这正是将金属用作探针的先决条件。研究的另一个意外成果是发现金的光致发光（Stokes）信号可用于探测材料自身的表面温度，这对从事纳米级研究的科学家来说是一大福音。"对于金属表面的许多化学反应，人们一直在争论这些反应发生的原因和条件。温度是一个关键参数，但在纳米尺度测量温度非常困难，因为温度计会影响测量结果。因此，利用材料本身作为探针来探测材料具有巨大的优势，"Tagliabue 说。研究人员相信，他们的发现将使人们能够利用金属对化学反应，尤其是涉及能源研究的化学反应获得前所未有的详细了解。金和铜（LNET 的下一个研究目标）等金属可以引发某些关键反应，比如将二氧化碳（CO2）还原成太阳能燃料等碳基产品，太阳能燃料可以将太阳能储存在化学材料中。该研究的第一作者、LNET 博士后艾伦-鲍曼（Alan Bowman）说："为了应对气候变化，我们将需要以某种方式将二氧化碳转化为其他有用化学物质的技术。使用金属是一种方法，但如果我们不能很好地了解这些反应是如何在其表面发生的，那么我们就无法对其进行优化。发光为了解这些金属中发生的情况提供了一种新方法"。编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：