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：

物理学家实现分子的量子纠缠

物理学家实现分子的量子纠缠 物理学家首次实现了对分子的量子纠缠。这一突破可能有助于推动量子计算的实用化。论文发表在《科学》期刊上。实现可控的量子纠缠一直是一大挑战，这次实验之前分子的可控量子纠缠一直无法实现。普林斯顿大学的物理学家找到了方法控制单个分子诱导其进入到互锁量子态。研究人员相信相比原子，分子具有优势，更适合量子信息处理和复杂材料量子模拟等应用。相比原子，分子有更多的量子自由度，能以新方式交互。论文合作者 Yukai Lu 指出这意味着存储和处理量子信息的新方法。来源 ，， 频道：@kejiqu 群组：@kejiquchat

科学家用铜和碳原子锻造出世界上最细的金属丝

科学家用铜和碳原子锻造出世界上最细的金属丝 洛桑联邦理工学院（EPFL）的研究人员利用计算方法研究了78万多种晶体的结构特性，确定了潜在的单维纳米材料，包括可能是最细的金属丝。他们的发现聚焦了14种在电子学和量子研究中具有潜在用途的材料。资料来源：NCCR MARVEL研究人员利用计算工具寻找可以从已知三维晶体中剥离出来的新型一维材料。在一份包含 78 万多种晶体的初始清单中，他们得出了一份包含 800 种一维材料的清单，并从中选出了 14 种最佳候选材料这些化合物尚未合成为真正的金属丝，但模拟结果表明是可行的。其中包括金属丝CuC2，它是由两个碳原子和一个铜原子组成的直线链，是迄今发现的在 0 K 温度下稳定的最细金属纳米线。洛桑联邦理工学院材料理论与模拟实验室的研究人员利用计算方法确定了可能是最细的金属丝，以及其他几种单维材料，这些材料的特性可能会被证明对许多应用领域很有意义。单维（或一维）材料是纳米技术最引人入胜的产品之一，由原子排列成线或管状组成。它们的电学、磁学和光学特性使其成为从微电子学到生物传感器再到催化等各种应用的绝佳候选材料。虽然碳纳米管是迄今为止最受关注的材料，但事实证明它们非常难以制造和控制，因此科学家们迫切希望找到其他化合物，用于制造具有同样有趣特性但更容易处理的纳米线和纳米管。因此，Chiara Cignarella、Davide Campi和Nicola Marzari想到利用计算机模拟来解析已知的三维晶体，根据它们的结构和电子特性，寻找那些看起来很容易"剥离"的晶体，从本质上剥离出稳定的一维结构。同样的方法过去曾成功用于研究二维材料，但这是首次应用于一维材料。研究人员从文献中的各种数据库中收集了超过 78 万个晶体，这些晶体通过范德华力（原子距离足够近，电子重叠时产生的一种微弱相互作用）结合在一起。然后，他们采用一种算法，考虑原子的空间组织，寻找具有线状结构的原子，并计算出需要多少能量才能将这种一维结构从晶体的其他部分分离出来。论文第一作者 Cignarella 说："我们一直在寻找金属丝，但这种金属丝应该很难找到，因为一维金属原则上应该不够稳定，无法进行剥离"。最终，他们得出了一份包含 800 种一维材料的清单，并从中选出了 14 种最佳候选材料这些化合物尚未合成为真正的导线，但模拟结果表明是可行的。然后，他们开始更详细地计算这些材料的特性，以验证它们的稳定性如何，以及人们对它们的电子行为有何期待。四种材料两种金属和两种半金属成为最有趣的材料。其中金属丝CuC2 是由两个碳原子和一个铜原子组成的直线链是迄今发现的在 0 K 温度下稳定的最细金属纳米线。Cignarella说："这真的很有趣，因为你不会想到由单线原子组成的实际金属丝会在金属相中保持稳定。科学家们发现，它可以从三种不同的母晶体中剥离出来，这些晶体都是实验中已知的（NaCuC2、KCuC2和 RbCuC2）。从它们中提取这种物质所需的能量很少，而且其链可以弯曲，同时保持其金属特性，这将使它对柔性电子产品产生兴趣。"这项发表在《ACS Nano》上的研究还发现了其他有趣的材料，其中包括半金属Sb2Te2，由于其特性，可以研究一种 50 年前就被预测但从未被观测到的奇异物质状态，即激子绝缘体，这是量子现象在宏观尺度上变得可见的罕见情况之一。此外，还有另一种半金属Ag2Se2 和TaSe3，后者是一种著名的化合物，也是唯一一种已经在实验中剥离成纳米线的化合物，科学家将其作为基准。至于未来，Cignarella 解释说，研究小组希望与实验人员合作，实际合成这些材料，同时继续进行计算研究，了解它们如何传输电荷以及在不同温度下的表现。这两点对于了解它们在实际应用中的性能至关重要。编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：

科学简单点：什么是量子力学？

科学简单点：什么是量子力学？ 在这段"科学 101：什么是量子力学"的视频中，阿贡材料科学部学者凯瑟琳-哈蒙（Katherine Harmon）解释了什么是量子力学。量子力学是一种理论，涉及物质、能量和光的最基本位以及它们相互作用构成世界的方式。这一具有里程碑意义的理论起源于 20 世纪初，在 21 世纪被广泛应用于现实世界。阿贡科学家哈蒙和许多其他科学家在实验室中应用量子力学，正在开发有朝一日能够改变社会和我们对宇宙认识的技术。量子传感器可以检测到以前检测不到的癌细胞。量子互联网可以确保信息和数据通信不受黑客攻击。量子计算机可以解决经典计算机无法解决的复杂问题。量子理论还将继续推进我们对宇宙的认识，从原子深处错综复杂的动力学，到宇宙诞生这样宏大的宇宙事件。20 世纪初，科学家们开始发展量子力学，以解释一系列实验结果，这些实验结果无法用其他任何解释来解释。如今，科学家们利用这一理论创造出强大的技术无法破解的信息通信、更快的药物发现以及手机和电视屏幕上更高质量的图像。那么，什么是量子呢？从更广泛的意义上讲，"量子"一词可以指某种事物的最小可能量。量子力学领域研究的是最基本的物质、能量和光，以及它们相互作用构成世界的方式。与我们通常思考世界的方式不同，我们想象事物分别具有粒子或波的特性（例如棒球和海浪），但这种概念在量子力学中行不通。根据不同的情况，科学家可能会观察到同一个量子物体具有粒子或波的特性。例如，光不能被认为只是光子（一种光粒子）或只是光波，因为我们可能在不同的实验中观察到这两种行为。平日里，我们看到的事物每次只有一种"状态"：在这里或在那里，移动或静止，正面朝上或反面朝上。在量子力学中，物体的状态并不总是那么简单明了。例如，在我们确定一组量子物体的位置之前，它们可能存在于一个或多个位置的叠加（或一种特殊的组合）中。不同的可能状态就像池塘中的波浪一样相互组合和干扰，只有在我们观察之后，物体才会有一个确定的位置。叠加是使量子计算机成为可能的主要特征之一，因为它使我们能够用新的和有用的方式来表示信息。另一种有趣的量子行为是隧穿，量子物体（如电子）有时可以穿过原本无法穿过的障碍。之所以会发生这种情况，是因为叠加允许电子有很小的几率出现在障碍的另一侧。量子隧道技术可应用于闪存设备、功能强大的显微镜和量子计算机等领域。当量子物体相互作用时，它们通过一种叫做纠缠的联系彼此相连。即使物体之间相隔很远，这种联系也能保持。爱因斯坦称之为"距离的幽灵作用"。科学家们正在利用它进行超安全通信，它也是量子计算的一个基本特征。在美国能源部（DOE）的阿贡国家实验室，科学家们利用世界一流的专业知识和研究设施，开发用于存储、传输和保护信息的量子技术，并研究我们的宇宙，从原子内部深处的复杂动力学到宇宙诞生这样宏大的事件。阿贡还领导着 Q-NEXT（美国能源部国家量子信息科学研究中心），该中心致力于开发量子材料和器件，并将量子技术的力量用于通信。资料来源：阿贡国家实验室什么是量子信息科学？利用原子尺度上的反直觉行为，我们可以在实用尺度上为信息科学带来强大变革。科学家们正在争分夺秒地开发能够存储、传输、操纵和保护信息的量子系统。量子比特是量子计算和其他量子信息系统的基本组成部分。它们类似于经典计算机中的比特，要么是 0，要么是 1。量子比特的奇特之处在于，它们可以同时为 0 和 1。这种重叠状态极大地增强了量子计算机的性能。量子比特本身可以有多种不同的形式电子、光粒子，甚至是高度结构化材料中的微小缺陷。科学家们正在努力设计能在量子态中保持信息数秒（"相干性"）并能与其他量子比特连接（"纠缠"）的量子比特。量子技术可以改变国家和金融安全、药物发现以及新材料的设计和制造，同时加深我们对宇宙的理解。编译自:ScitechDaily相关文章:科学简单点：什么是超级计算？科学简单点：什么是人工智能？ ... 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：

弯曲的现实：南极冰川中的爱因斯坦与量子力学

弯曲的现实：南极冰川中的爱因斯坦与量子力学 南极洲星空下的冰立方实验室。图片来源：马丁-沃尔夫，冰立方/NSF要解释物质和光在亚原子尺度上的行为，就必须理解量子力学的随机性。几十年来，科学家们一直试图将这两个研究领域结合起来，实现对引力的量子描述。这将结合与广义相对论相关的曲率物理学和与量子力学相关的神秘随机波动。美国得克萨斯大学阿灵顿分校的物理学家在《自然-物理》杂志上发表了一项新研究报告，他们利用设置在南极冰川深处的粒子探测器探测到的超高能量中微子粒子，对这两种理论之间的界面进行了深入的新探索。DOM 降入阵列，开始采集数据。资料来源：马克-克拉斯伯格，冰立方/NSF物理学副教授本杰明-琼斯（Benjamin Jones）说："将量子力学与引力理论统一起来的挑战仍然是物理学中最紧迫的未决问题之一。如果引力场的行为方式与自然界中的其他场类似，那么它的曲率就应该表现出随机量子波动。"琼斯和UTA研究生阿克希玛-内吉（Akshima Negi）、格兰特-帕克（Grant Parker）是冰立方国际合作团队的成员，该团队包括来自美国各地以及澳大利亚、比利时、加拿大、丹麦、德国、意大利、日本、新西兰、韩国、瑞典、瑞士、台湾和英国的300多名科学家。德克萨斯大学阿灵顿分校物理学副教授本杰明-琼斯。图片来源：德克萨斯大学阿灵顿分校为了寻找量子引力的特征，研究小组在南极洲南极附近一平方公里的范围内放置了数千个传感器用于监测中微子，中微子是一种电荷中性、没有质量的不寻常但却非常丰富的亚原子粒子。研究小组对 30 多万个中微子进行了研究。他们想看看这些超高能量粒子在地球上长途旅行时，是否会受到时空中随机量子波动的干扰，如果引力是量子力学的，那么这种波动是意料之中的。内吉说："我们通过研究冰立方天文台探测到的中微子的味道来寻找这些波动。我们工作的结果是，测量结果比以前的测量结果灵敏得多（对某些模型而言，灵敏度超过一百万倍），但却没有发现预期的量子引力效应的证据。"没有观测到时空的量子几何，这有力地说明了在量子物理学和广义相对论交界处运行的仍然未知的物理学。琼斯说："这项分析是UTA近十年来为冰立方天文台所做贡献的最后一章。我的小组现在正在进行新的实验，旨在利用原子、分子和光学物理技术了解中微子质量的起源和价值。"编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：