BBC：量子技术突破可能带来计算机革命

BBC：量子技术突破可能带来计算机革命 研究人员离实现制造多任务的“量子”计算机又近了一步，那将是比现有的最先进的超级计算机更强大的计算机。 量子计算机利用了亚原子粒子的怪异特性。 所谓的量子波粒能够同时存在于两个地方，而且即使分隔数百万英里仍然匪夷所思地能够保持关联性。 英国苏塞克斯大学（Sussex University）的研究团队实现了在电脑芯片之间以前所未有的速度和精度传送量子信息。 一个研究当中的障碍就是需要在芯片之间迅速和可靠地传送量子信息：信息受损就会产生误差。 不过汉辛格教授的团队已经取得了突破，他们发表在《自然通讯》期刊上的研究表明，他们可能已经克服了上述障碍。 这个团队研发了从一个芯片向另外一个芯片以创纪录的速度传送信息的系统，传送可靠率达到了99.999993%。研究人员说，这显示了在原则上许多芯片能够插在一起形成算力更强大的量子计算机。 （节选）

科学家利用激光技术揭示了量子材料隐藏的特性

科学家利用激光技术揭示了量子材料隐藏的特性 加州大学圣迭戈分校的研究人员利用一种先进的光学技术进一步了解了一种名为Ta2NiSe5（TNS）的量子材料。他们的研究成果发表在《自然-材料》（Nature Materials）杂志上。材料可以通过不同的外部刺激受到扰动，通常是温度或压力的变化；然而，由于光是宇宙中速度最快的东西，材料对光刺激的反应非常快，从而揭示出原本隐藏的特性。通过改进技术，研究小组获得了更广泛的频率范围，从而揭示了 TNS 激子凝聚态的一些隐藏特性。资料来源：Sheikh Rubaiat Ul Haque / 斯坦福大学量子材料中的先进光学技术"从本质上讲，我们用激光照射一种材料，这就像定格摄影，我们可以逐步跟踪该材料的某种特性，"领导这项研究的物理学教授理查德-阿维特说，他也是论文的作者之一。"通过观察组成粒子如何在该系统中移动，我们可以找出这些以其他方式很难发现的特性。"该实验由第一作者谢赫-鲁巴亚特-乌尔-哈克（Sheikh Rubaiat Ul Haque）完成，他于2023年从加州大学圣地亚哥分校毕业，现在是斯坦福大学的一名博士后学者。他与阿弗里特实验室的另一名研究生张远一起改进了一种名为太赫兹时域光谱学的技术。这项技术允许科学家在一定频率范围内测量材料的特性，而哈克的改进使他们能够获得更广泛的频率范围。量子态和光放大这项工作基于论文的另一位作者、苏黎世联邦理工学院教授尤金-德姆勒（Eugene Demler）提出的理论。Demler 和他的研究生马里奥斯-迈克尔（Marios Michael）提出了这样一个观点：当某些量子材料被光激发时，它们可能会变成一种能放大太赫兹频率光的介质。这促使哈克及其同事仔细研究 TNS 的光学特性。当电子被光子激发到更高的层次时，会留下一个空穴。如果电子和空穴结合在一起，就会产生激子。激子还可能形成凝聚态当粒子聚集在一起并表现为单一实体时会出现的一种状态。在 Demler 理论的支持下，利用马克斯-普朗克物质结构与动力学研究所 Angel Rubio 小组的密度泛函计算，研究小组得以观测到反常的太赫兹光放大现象，从而揭示了 TNS 激子凝聚态的一些隐藏特性。凝缩物是一种定义明确的量子态，使用这种光谱技术可以将它们的某些量子特性印刻到光上。这可能会对利用量子材料的纠缠光源（多个光源具有相互关联的特性）这一新兴领域产生影响。哈克说："我认为这是一个广阔的领域。Demler的理论可以应用于一系列具有非线性光学特性的其他材料。有了这项技术，我们就能发现以前从未探索过的新的光诱导现象。"编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：

微观奇迹：可能改变量子研究与激光技术的光子拓扑绝缘体

微观奇迹：可能改变量子研究与激光技术的光子拓扑绝缘体 研究中开发的光子拓扑绝缘体效果图。资料来源：伦斯勒理工学院伦斯勒理工学院（Rensselaer Polytechnic Institute）的研究人员制造出了一种比头发丝还细的装置，它将帮助物理学家研究物质和光的基本性质。他们的研究成果发表在《自然-纳米技术》（Nature Nanotechnology）杂志上，还有助于开发更高效的激光器，这种激光器被广泛应用于医疗和制造等领域。该设备由一种名为光子拓扑绝缘体的特殊材料制成。光子拓扑绝缘体可以引导光子（构成光的波状粒子）进入材料内部专门设计的界面，同时还能防止这些粒子通过材料本身发生散射。由于这一特性，拓扑绝缘体可以使许多光子相干地像一个光子一样行动。这些设备还可用作拓扑"量子模拟器"，即研究人员可以研究量子现象（在极小尺度上支配物质的物理定律）的微型实验室。"我们创造的光子拓扑绝缘体是独一无二的。它能在室温下工作。这是一个重大进步。以前，人们只能使用昂贵的大型设备在真空中对物质进行超冷却，才能研究这种机制。许多研究实验室都没有这种设备，因此我们的设备可以让更多人在实验室里从事这种基础物理研究。"RPI 材料科学与工程系助理教授、《自然- 纳米技术》研究报告的资深作者 Wei Bao 说。Bao补充说："这也是在开发运行所需能量更少的激光器方面迈出的充满希望的一步，因为我们的室温设备阈值（使其工作所需的能量）比以前开发的低温设备低七倍。"RPI 的研究人员利用半导体行业用于制造微芯片的相同技术制造出了他们的新型设备，这种技术包括将不同种类的材料逐个原子、逐个分子地分层，以制造出具有特定性能的理想结构。为了制造这种装置，研究人员在金属卤化物过氧化物（一种由铯、铅和氯组成的晶体）上生长出超薄板，并在上面蚀刻出带有图案的聚合物。他们将这些晶体板和聚合物夹在各种氧化物材料的薄片之间，最终形成了一个厚约 2 微米、长宽均为 100 微米的物体（人类头发的平均宽度为 100 微米）。当研究人员用激光照射该装置时，在材料设计的界面上出现了一个发光的三角形图案。这种图案由装置的设计决定，是激光拓扑特性的结果。"能够在室温下研究量子现象是一个令人兴奋的前景。鲍教授的创新工作表明，材料工程学可以帮助我们回答一些科学上的重大问题，"RPI 工程学院院长 Shekhar Garde 说。编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：

形变成像：彻底改变我们对地球地下奥秘的看法

形变成像：彻底改变我们对地球地下奥秘的看法 长期以来，GPS、雷达和激光扫描等地表测绘技术一直被用于测量地球表面的特征。现在，德克萨斯大学奥斯汀分校开发的一种新计算技术让科学家们可以利用这些技术来观察地球内部。内华达山脉顶上的全球定位系统站。德克萨斯大学奥斯汀分校的研究人员利用 GPS 网络为地球内部成像。图片来源：UNAVCO/美国国家科学基金会这项新技术被研究人员称为"形变成像"，其结果可与地震成像相媲美，但能提供有关地壳和地幔刚性的直接信息。西蒙娜-普埃尔（Simone Puel）说，她在德克萨斯大学杰克逊地球科学学院读研究生期间，为德克萨斯大学地球物理研究所的一个研究项目开发了这种方法。"刚度等材料特性对于理解俯冲带或一般地震科学中发生的不同过程至关重要，"Puel 说。"当与地震、电磁或重力等其他技术相结合时，就有可能以一种前所未有的方式制作出更全面的地震力学模型。"显示日本地下地壳硬度的图形。图片显示了日本大陆板块（暗红色大块）与较硬的海洋板块（深蓝色大块）碰撞的边界。图像中央较小的暗红色斑块很可能是为日本火山（红色三角形）提供能量的岩浆系统。该图像是利用UT Austin 研究人员开发的一种新型形变成像技术收集的数据绘制的。图片来源：Simone Puel普埃尔现在是加州理工学院的一名博士后学者，他在今年早些时候发表了他的方法背后的理论。6 月发表在《科学进展》（Science Advances）上的一项最新研究展示了这一方法的实际应用。该研究利用2011年日本东北地震期间记录的GPS数据，对地下约100公里处的地表进行了成像。该图像揭示了太平洋火环日本部分下方的构造板块和火山系统，包括一个低刚度区域，该区域被认为是为火山系统提供能量的深层岩浆库，这是首次仅利用地表信息探测到这种岩浆库。这种方法的依据是，地壳是由具有不同弹性特性的岩石材料组成的大杂烩。有些部分更柔韧，有些部分更坚硬。这导致地壳收缩和膨胀不均匀。例如，在地震发生时，地球的振动就会反映出它是由什么构成的，从而使地表发生明显的变形。为了将这种不均匀变形转化为地表下的图像，研究人员构建了一个计算机模型，将地球视为一种简化的弹性材料，同时允许其弹性强度在三个维度上变化。然后，该模型根据全球定位系统传感器在地震中的相互移动程度计算出地表下的刚度。结果就是根据地表的变化绘制出地球内部的三维图像。不过，尽管该模型生成了由 1250 万个数据点组成的网络，但图像的清晰度不如地震层析成像，而地震层析成像是对地球内部成像的最常用方法。不过，它可以直接测量刚度，这对建立更复杂的地球模型非常重要。另一个优势是，新方法可以利用卫星进行测量。这些卫星包括美国国家航空航天局（NASA）即将发射的 NISAR 航天器，这是一项与印度空间研究组织（Indian Space Research Organization）的联合任务，每 12 天将以极高分辨率绘制全球地图。研究报告的合著者、杰克逊学院教授托尔斯滕-贝克尔（Thorsten Becker）说，利用这项新技术，NISAR可以为世界上一些地质灾害最严重的地区提供重要的洞察力。通过持续绘制地球表面地图，该卫星将使科学家能够跟踪地震断层在地震周期中的结构变化。该论文的共同作者、UT沃克大学机械工程系和UT奥登计算工程与科学研究所教授奥马尔-加塔斯（Omar Ghattas）说，这种新方法可能是建立地球数字双胞胎的重要一步。这些复杂的计算机模型通过确定在哪里进行新的观测，然后吸收新的数据，从而不断完善自己。他说："随着模型越来越完善，数据越来越丰富，信息量越来越大，也许我们就可以开始对地震的可预测性发表一些看法了。"编译自/ScitechDaily ... PC版： 手机版：

创新性研究利用悬浮光学机械观察较大物体的量子现象

创新性研究利用悬浮光学机械观察较大物体的量子现象 两个被光学捕获的纳米粒子通过光子在镜子之间来回反弹而耦合在一起，图片显示两个纳米粒子（绿色）被光镊/激光束（红色）困住，并被放置在两面镜子（白色）之间，形成一个光腔（周期性的蓝色圆球）。纳米粒子（紫色斜箭头）散射的光子被困在空腔中，从而导致两个纳米粒子之间的相互作用（紫色直线）。资料来源：曼彻斯特大学量子物理定律支配着微小尺度上的粒子行为，从而产生了量子纠缠等现象，纠缠粒子的特性以经典物理学无法解释的方式密不可分地联系在一起。较大物体中的量子现象量子物理学研究有助于我们填补物理学知识的空白，并能让我们更全面地了解现实，但量子系统运行的微小尺度会使它们难以观测和研究。在过去的一个世纪里，物理学家成功地在越来越大的物体中观测到了量子现象，从电子等亚原子粒子到包含成千上万原子的分子。最近，悬浮光机械学领域涉及在真空中控制高质微米级物体，其目的是通过测试比原子和分子重几个数量级的物体中量子现象的有效性，进一步推动这一领域的发展。然而，随着物体质量和尺寸的增加，产生微妙量子特征（如纠缠）的相互作用会被环境所遗忘，从而导致我们观察到的经典行为。克服环境噪声但现在，曼彻斯特大学量子工程实验室主任 Jayadev Vijayan 博士与苏黎世联邦理工学院的科学家以及因斯布鲁克大学的理论家共同领导的团队，在苏黎世联邦理工学院进行的一项实验中确立了克服这一问题的新方法，并发表在《自然-物理》杂志上。Vijayan博士说："要在更大尺度上观测量子现象并揭示经典-量子转换，就必须在环境噪声的影响下保留量子特征。可以想象，要做到这一点有两种方法：一是抑制噪声，二是增强量子特征。我们的研究展示了通过第二种方法应对挑战的方法。我们的研究表明，两个光学捕获的 0.1 微米大小的玻璃颗粒之间的纠缠所需的相互作用可以放大几个数量级，以克服环境损失。"科学家们将粒子放在两面高反射镜之间，形成一个光腔。这样，每个粒子散射的光子在离开空腔之前会在镜子之间反弹数千次，从而大大提高了与另一个粒子发生相互作用的几率。苏黎世联邦理工学院的论文共同负责人约翰内斯-皮奥特罗斯基（Johannes Piotrowski）补充说："值得注意的是，由于光学相互作用是由空腔介导的，其强度不会随距离衰减，这意味着我们可以将微米级粒子耦合到几毫米的范围内。研究人员还展示了通过改变激光频率和粒子在腔体内的位置来精细调整或控制相互作用强度的非凡能力。实际应用和未来方向这些发现是对基础物理学理解的重大飞跃，同时也为实际应用带来了希望，特别是可用于环境监测和离线导航的传感器技术。维也纳技术大学的合作者卡洛斯-冈萨雷斯-巴列斯特罗博士说："悬浮机械传感器的关键优势在于，与其他使用传感技术的量子系统相比，它们的质量很高。大质量使其非常适合探测引力和加速度，从而提高灵敏度。因此，量子传感器可用于各个领域的许多不同应用，如监测极地冰层用于气候研究，测量加速度用于导航目的等。"皮奥特罗斯基补充说："能在这个相对较新的平台上工作，并测试我们能在多大程度上将其推入量子体系，这令人兴奋。"现在，研究团队将把新功能与成熟的量子冷却技术相结合，大步迈向量子纠缠的验证。如果成功，实现悬浮纳米粒子和微粒子的纠缠将缩小量子世界与日常经典力学之间的差距。在曼彻斯特大学光子科学研究所和电气与电子工程系，Jayadev Vijayan 博士的团队将继续研究悬浮光学机械学，利用多个纳米粒子之间的相互作用，将其应用于量子传感领域。编译自: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：