研究人员制造出寿命比以前长数百万倍的时间晶体

研究人员制造出寿命比以前长数百万倍的时间晶体 研究人员成功延长了时间晶体的寿命,证实了弗兰克-威尔切克(Frank Wilczek)提出的一个理论概念。这标志着量子物理学向前迈出了重要一步。多特蒙德工业大学的一个研究小组最近成功地制造出了一种非常耐用的时间晶体,它的寿命比以前的实验所显示的要长几百万倍。通过这一研究,他们证实了诺贝尔奖获得者弗兰克-威尔切克(Frank Wilczek)大约在十年前提出的一个极其有趣的现象,而这一现象已经出现在科幻电影中。 这项研究成果现已发表在《自然-物理》杂志上。空间晶体,是原子在大长度尺度上的周期性排列。这种排列赋予了晶体迷人的外观,就像宝石一样具有光滑的切面。物理学通常把空间和时间放在同一层面上处理,例如在狭义相对论中,麻省理工学院(MIT)物理学家、诺贝尔物理学奖获得者弗兰克-威尔切克(Frank Wilczek)在2012年提出了一个假设:除了空间中的晶体,时间中也一定存在晶体。他说,要做到这一点,它们的一个物理特性必须在时间上自发地开始发生周期性变化,即使系统没有经历相应的周期性干扰。看似火焰的是对新时间晶体的测量:每个点都对应一个实验值,从而得出时间晶体核自旋极化周期性动态的不同视图。图片来源:Alex Greilich/多特蒙德大学这种时间晶体是否可能存在,几年来一直是科学界争论不休的话题,但很快就出现在电影院里:例如,在漫威影业出品的电影《复仇者联盟:终局之战》(2019)中,时间晶体就扮演了核心角色。从 2017 年起,科学家们开始在少数场合成功展示了潜在的时间晶体。Alex Greilich 博士在多特蒙德工业大学物理系凝聚态物质研究中心工作。资料来源:多特蒙德工业大学然而,与威尔切克最初的想法不同的是,这些系统受到具有特定周期性的时间激发,但随后又以两倍长的周期发生反应。2022 年,在玻色-爱因斯坦凝聚态中才展示了一种晶体,虽然激发与时间无关,即恒定不变,但它在时间上表现出周期性。不过,这种晶体的寿命只有几毫秒。亚历克斯-格雷利希博士领导的多特蒙德工业大学物理学家现已设计出一种由砷化镓铟制成的特殊晶体,在这种晶体中,核自旋充当了时间晶体的储存器。晶体在持续光照下,通过与电子自旋的相互作用形成核自旋极化。正是这种核自旋极化自发地产生了振荡,相当于时间晶体。目前的实验结果表明,这种晶体的寿命至少为 40 分钟,比迄今为止证明的寿命长 1000 万倍,而且有可能存活得更长。通过系统地改变实验条件,可以在很大范围内改变晶体的周期。然而,也有可能进入晶体"熔化"的区域,即失去周期性的区域。这些区域也很有趣,因为这时会表现出混沌行为,这种行为可以维持很长时间。这是科学家们第一次能够利用理论工具来分析这类系统的混沌行为。编译来源:ScitechDaily ... PC版: 手机版:

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新型时间晶体的寿命延长了1000万倍

新型时间晶体的寿命延长了1000万倍 但是,既然空间和时间通常被视为同一"结构"的两个组成部分,这是否意味着也存在着在时间中重复图案的晶体呢?这是诺贝尔奖获得者、麻省理工学院物理学家弗兰克-威尔切克(Frank Wilczek)在 2012 年提出的假设。这很难理解是如何做到的,但一个常见的比喻是想象一碗果冻,想象用勺子敲打它时会有什么反应。通常你会认为它会抖动几秒钟,然后停止。但如果这碗果冻是一个时间晶体,它可能会在延迟后抖动,停止,再抖动,再停止,并无限期地重复这个过程,甚至在没有任何进一步的敲击输入的情况下也是如此。这听起来可能很像永动机,但时间晶体实际上并不违反任何热力学定律,系统中的熵量保持不变。几年来,科学家们一直在争论它们是否可能存在,直到 2017 年,一个研究小组终于在实验室里成功制造出了时间晶体。后来的研究在儿童玩具晶体生长套件和量子计算机处理器中发现了它们,甚至观察到了它们之间的相互作用。但这些例子并没有捕捉到时间晶体的真正本质,只是捕捉到了一些不同步的行为。继续前面的比喻,他们是每秒敲击一次果冻,每两秒才看它抖动一次。真正的时间晶体会自己开始抖动,然后以周期性的模式无限抖动。这种时间晶体在 2022 年才首次展示,但只持续了几毫秒。这幅像火焰一样的图案实际上是一张图表,它展示了对时间晶体振荡的实验测量结果,显示了一个清晰的模式 多特蒙德大学现在,德国多特蒙德大学的科学家们创造出了一种能持续 1000 万倍时间的晶体。它由砷化镓铟制成,然后持续点亮,直到晶体的核自旋变得极化。研究小组说,一段时间后,原子核自发地开始以一种可预测的模式振荡,这一过程相当于时间晶体。在实验中,研究人员记录到这种情况持续了 40 分钟,但他们表示,这种情况有可能持续更长时间。研究小组表示,可以通过调整实验条件来改变晶体周期的时间框架。它还可以被"熔化",在这种情况下,"熔化"意味着失去它的模式,开始表现出一些混乱的行为。这将开启一个新的研究领域。这项研究发表在《自然-物理》杂志上。 ... PC版: 手机版:

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研究人员利用电子和空穴自旋实现了精确的量子比特控制和相互作用 巴塞尔大学在量子比特技术方面取得的进展为可扩展量子计算带来了希望,它利用电子和空穴自旋实现了精确的量子比特控制和相互作用。全世界的研究人员都在探索各种量子比特技术,对实用量子计算机的追求正如火如荼地进行着。尽管做出了大量努力,但对于哪种类型的量子比特最能最大限度地发挥量子信息科学的潜力,人们仍未达成共识。量子比特是量子计算机的基础。它们负责处理、传输和存储数据。有效的量子位必须可靠地存储和快速处理信息。这就要求外部系统能够准确控制大量量子比特之间稳定、迅速的相互作用。当今最先进的量子计算机只有几百个量子比特。这就限制了它们执行传统计算机已经能够完成的计算,而且往往能更高效地完成。要想推动量子计算的发展,研究人员必须找到一种在单个芯片上容纳数百万量子比特的方法。电子和空穴为了解决数千个量子比特的排列和连接问题,巴塞尔大学和 NCCR SPIN 的研究人员依靠一种利用电子或空穴自旋(固有角动量)的量子比特。空穴本质上是半导体中缺失的电子。空穴和电子都具有自旋,可采用两种状态之一:向上或向下,类似于经典比特中的 0 和 1。与电子自旋相比,空穴自旋的优势在于它可以完全由电子控制,无需在芯片上安装微型磁铁等额外元件。两个相互作用的空穴自旋量子比特。当一个空穴(洋红色/黄色)从一个位点隧穿到另一个位点时,它的自旋(箭头)会因所谓的自旋轨道耦合而旋转,从而导致周围气泡所描述的各向异性相互作用。资料来源:NCCR SPIN2022 年,巴塞尔物理学家证明,现有电子设备中的空穴自旋可以被捕获并用作量子比特。这些"FinFET"(鳍式场效应晶体管)内置于现代智能手机中,并通过广泛的工业流程生产出来。现在,安德烈亚斯-库尔曼(Andreas Kuhlmann)博士领导的团队首次成功地在这种装置中实现了两个量子比特之间可控的相互作用。量子计算机需要"量子门"来执行计算。量子门"代表着操纵量子比特并将它们相互耦合的操作。研究人员在《自然-物理》杂志上报告说,他们能够将两个量子比特耦合起来,并根据其中一个量子比特的自旋状态,使另一个量子比特的自旋发生受控翻转这就是所谓的受控自旋翻转。"孔自旋使我们能够创建既快速又高保真的双量子比特门。"库尔曼说:"现在,这一原理还使我们有可能将更多的量子位对耦合在一起。"两个自旋量子比特的耦合基于它们之间的交换相互作用,这种相互作用发生在两个静电相互作用的无差别粒子之间。令人惊奇的是,空穴的交换能不仅在电学上是可控的,而且具有很强的各向异性。这是自旋轨道耦合的结果,意味着空穴的自旋状态受其空间运动的影响。为了在模型中描述这一观察结果,巴塞尔大学和 NCCR SPIN 的实验物理学家和理论物理学家联手合作。库尔曼说:"各向异性使得双量子比特门成为可能,而无需在速度和保真度之间进行通常的权衡。基于空穴自旋的量子比特不仅可以利用硅芯片久经考验的制造工艺,还具有高度的可扩展性,并在实验中被证明是快速和稳健的。这项研究强调,这种方法在开发大规模量子计算机的竞赛中大有可为。"编译来源:ScitechDaily ... PC版: 手机版:

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