研究人员开发出一种利用磁子传输量子信息的新方法

研究人员开发出一种利用磁子传输量子信息的新方法 HZDR 的研究人员成功地在磁盘中产生了类似于波的激发即所谓的磁子来专门操纵碳化硅中原子大小的量子比特。这为量子网络中的信息传输开辟了新的可能性。图片来源：HZDR / Mauricio Bejarano为了满足这一需求，德累斯顿-罗森多夫亥姆霍兹中心（HZDR）的一个研究小组现在推出了一种传输量子信息的新方法：该小组通过利用磁子（磁性材料中的波状激起）的磁场来操纵量子比特（即所谓的量子比特），磁子发生在微观磁盘中。研究人员在《科学进展》（Science Advances）杂志上发表了他们的研究成果。建造可编程的通用量子计算机是当代最具挑战性的工程和科学研究之一。这种计算机的实现为物流、金融和制药等不同行业领域带来了巨大潜力。然而，由于量子计算机技术在存储和处理信息时存在固有的脆弱性，因此阻碍了实用量子计算机的建造。量子信息被编码在量子比特中，而量子比特极易受到环境噪声的影响。微小的热波动（几分之一度）就可能完全破坏计算。这促使研究人员将量子计算机的功能分布在不同的独立构件中，以努力降低出错率，并利用这些构件的互补优势。"然而，这就带来了一个问题，即如何在模块之间传输量子信息，使信息不会丢失，"HZDR 研究员、该刊物第一作者毛里西奥-贝哈拉诺（Mauricio Bejarano）说。"我们的研究正是在这个特定的利基上，在不同的量子模块之间传输通信。"目前，传输量子信息和寻址量子比特的既定方法是通过微波天线。这是Google和 IBM 在其超导芯片中使用的方法，也是在这场量子竞赛中处于领先地位的技术平台。"而我们则是通过磁子来寻址量子比特。磁子可被视为穿过磁性材料的磁激发波。这样做的好处是，磁子的波长在微米范围内，比传统微波技术的厘米波短得多。因此，磁子的微波足迹在芯片中花费的空间更少。HZDR 小组研究了磁子与碳化硅晶体结构中硅原子空位形成的量子比特的相互作用，碳化硅是一种常用于大功率电子器件的材料。这类量子比特通常被称为自旋量子比特，因为量子信息是由空位的自旋状态编码的。但是，如何利用磁子来控制这类量子比特呢？"通常情况下，磁子是通过微波天线产生的。"贝哈拉诺解释说："这就带来了一个问题，即很难将来自天线的微波驱动与来自磁子的微波驱动分离开来。"为了将微波从磁子中分离出来，HZDR 团队利用了一种在镍铁合金微观磁盘中可以观察到的奇特磁现象。"由于非线性过程，磁盘内的一些磁子具有比天线驱动频率低得多的频率。我们只用这些频率较低的磁子来操纵量子比特"。研究小组强调，他们还没有进行任何量子计算。不过，他们表明，完全用磁子处理量子比特从根本上是可行的。"迄今为止，量子工程界还没有意识到磁子可以用来控制量子比特，"Schultheiß强调说。"但我们的实验证明，这些磁波确实可以派上用场"。为了进一步发展他们的方法，研究小组已经在为未来的计划做准备：他们想尝试控制几个间距很近的单个量子比特，让磁子介导它们的纠缠过程这是进行量子计算的先决条件。他们的设想是，从长远来看，磁子可以被直接电流激发，其精确度可以达到在量子比特阵列中专门针对单个量子比特。这样就可以将磁子用作可编程量子总线，以极其有效的方式寻址量子比特。虽然未来还有大量工作要做，但该研究小组的研究强调，将磁子系统与量子技术相结合，可以为未来开发实用量子计算机提供有益的启示。编译自:ScitechDaily ... PC版： 手机版：

突破性方法精确测量热霍尔效应中的微小温度变化 为量子世界打开新窗口

突破性方法精确测量热霍尔效应中的微小温度变化 为量子世界打开新窗口 新型样品棒（包括样品支架）的多项创新技术可实现最高精度的温度测量。资料来源：D. Kojda/HZB量子物理学定律适用于所有材料。然而，在所谓的量子材料中，这些定律会产生特别不寻常的特性。例如，磁场或温度的变化会引起激变、集合态或准粒子，并伴随着向奇异态的相变。只要能够理解、管理和控制，就能以各种方式加以利用：例如，在未来的信息技术中，可以以最小的能量需求来存储或处理数据。热霍尔效应（THE）在识别凝聚态中的奇异状态方面发挥着关键作用。该效应基于热电流通过样品并施加垂直磁场时产生的微小横向温差（见图 2）。通过对热霍尔效应进行定量测量，我们可以将奇异激发与常规行为区分开来。如果施加纵向温差，热霍尔效应会导致极小的横向温差。磁场垂直穿透样品。资料来源：D. Kojda/HZB在各种材料中都能观察到热霍尔效应，包括自旋液体、自旋冰、高温超导体的母相以及具有强极性的材料。然而，垂直于样品中温度梯度的热差异非常小：在典型的毫米级样品中，热差异在微开尔文到毫开尔文之间。迄今为止，由于测量电子设备和传感器引入的热量掩盖了这种效应，因此很难通过实验检测到这些热差。由博士 Klaus Habicht 博士领导的团队目前已经开展了开创性的工作。他们与来自 HZB 样品环境的专家一起，开发出了一种具有模块化结构的新型样品棒，可以插入各种低温磁体中。样品头使用电容测温法测量热霍尔效应。这利用了专门制造的微型电容器的电容随温度变化的特性。利用这一装置，专家们成功地大幅减少了通过传感器和电子元件的热传导，并通过多项创新减弱了干扰信号和噪音。为了验证这种测量方法，他们分析了一个钛酸铽样品，其在磁场下不同晶体方向的热导率是众所周知的。测量数据与文献资料非常吻合。第一作者丹尼-科伊达（Danny Kojda）博士说："解析亚毫开尔文范围温差的能力让我非常着迷，这也是更详细研究量子材料的关键所在。我们现在已经共同开发了一套复杂的实验设计、清晰的测量协议和精确的分析程序，从而实现了高分辨率和可重复的测量"。系主任克劳斯-哈比希特（Klaus Habicht）补充道："我们的工作还为如何进一步提高未来低样品温度仪器的分辨率提供了信息。我要感谢所有参与其中的人员，尤其是样品环境团队。我希望该实验装置能够牢固地融入 HZB 基础设施，并实施所建议的升级"。Habicht 的研究小组现在将利用热霍尔效应的测量结果来研究量子材料中晶格振动或声子的拓扑特性。"离子晶体中热霍尔效应的微观机制和散射过程的物理学原理远未被完全理解。令人兴奋的问题是，为什么非磁性绝缘体中的电中性准粒子会在磁场中发生偏转，"Habicht 说。通过这台新仪器，研究小组现在已经具备了回答这个问题的先决条件。编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：

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：

东京大学研究人员实现"巨磁阻开关效应" 施加一个磁场改变高达250倍电阻

东京大学研究人员实现"巨磁阻开关效应" 施加一个磁场改变高达250倍电阻 根据日本东京大学公报，该校研究人员领衔的团队研制出一种通道长20纳米的锗半导体纳米通道器件，它属于半导体两端器件，拥有铁和氧化镁双层结构的电极，还添加了硼元素。研究人员观察到，通过给这种器件施加磁场能使其表现出电阻开关效应，外加磁场还使其实现了高达250倍的电阻变化率。研究人员给这种现象取名为“巨磁阻开关效应”。不过，目前仅能在20开尔文（约零下253摄氏度）的低温环境下观测到这种“巨磁阻开关效应”。研究团队下一步将致力于提高“巨磁阻开关效应”出现的温度，以便将其用于开发新型电子元器件等。基于电阻开关效应的电阻式随机存取存储器被视为最有竞争力的下一代非易失性存储器之一。传统的动态随机存取存储器是利用电容储存电荷多少来存储数据，其一大缺点是数据的易失性，电源意外切断时会丢失存储数据。而电阻式随机存取存储器是通过向器件施加脉冲电压产生电阻高低变化，以此表示二进制中的“0”和“1”，其存储数据不会因意外断电而丢失，是一种处于开发阶段的下一代内存技术。论文第一作者、东京大学研究生院工学系研究科教授大矢忍指出，新成果将来有望在电子领域得到应用，特别是用于神经形态计算以及开发下一代存储器、超高灵敏度传感器等新型器件。 ... PC版： 手机版：

研究人员结合诺贝尔奖获奖理念 提高量子通信的效率和安全性

研究人员结合诺贝尔奖获奖理念 提高量子通信的效率和安全性 纠缠光子是一种即使相隔很远也能保持连接的光粒子，2022 年诺贝尔物理学奖对这方面的实验给予了肯定。IQC研究团队将纠缠与量子点（一种获得2023年诺贝尔化学奖的技术）相结合，旨在优化创建纠缠光子的过程，纠缠光子具有广泛的应用，包括安全通信。提高量子效率和纠缠度IQC和滑铁卢电气与计算机工程系教授Michael Reimer博士说："量子密钥分发或量子中继器等令人兴奋的应用需要高度纠缠和高效率的结合，这些应用被设想用于将安全量子通信的距离扩展到全球范围或连接远程量子计算机。以前的实验只能测量到近乎完美的纠缠或高效率，但我们是第一个用量子点同时达到这两个要求的人。"纠缠光子源嵌入半导体纳米线的铟基量子点（左），以及如何从纳米线中有效提取纠缠光子的可视化图。资料来源：滑铁卢大学通过将半导体量子点嵌入纳米线，研究人员创造出了一种能产生近乎完美的纠缠光子的光源，其效率是以前工作的65倍。这种新光源是与位于渥太华的加拿大国家研究理事会合作开发的，可以用激光激发，根据指令产生纠缠对。研究人员随后使用荷兰 Single Quantum 公司提供的高分辨率单光子探测器来提高纠缠程度。历史上，量子点系统一直存在一个名为"精细结构分裂"的问题，它会导致纠缠态随时间发生振荡。这意味着使用慢速检测系统进行测量将无法测量纠缠状态，IQC 和滑铁卢电气与计算机工程系博士生 Matteo Pennacchietti 说。"我们将量子点与非常快速和精确的检测系统相结合，克服了这一难题。我们基本上可以在振荡过程中的每一点上获取纠缠态的时间戳，这就是我们拥有完美纠缠的地方。"为了展示未来的通信应用，Reimer 和 Pennacchietti 与 Norbert Lütkenhaus 博士和 Thomas Jennewein 博士（两人均为 IQC 教师和滑铁卢物理与天文学系教授）及其团队合作。利用新的量子点纠缠源，研究人员模拟了一种称为量子密钥分发的安全通信方法，证明量子点源在未来的安全量子通信中大有可为。编译自:ScitechDaily ... PC版： 手机版：

ETH研究人员利用静态电场和磁场成功捕获离子 并用其进行量子运算

ETH研究人员利用静态电场和磁场成功捕获离子 并用其进行量子运算 在离子阱中使用振荡电磁场限制了量子计算机目前可实现的量子比特数量。现在，苏黎世联邦理工大学的研究人员在一个微加工芯片上制造出了一个离子阱，只使用静态场电场和磁场就能在其中进行量子运算。在这种阱中，离子可以向任意方向传输，一个芯片上可以安装多个这样的阱。ETH 研究人员的实验装置。阱芯片位于银色穹顶下方的容器内，其中的透镜可以捕捉到被困离子发出的光。图片来源：苏黎世苏黎世联邦理工大学 / Pavel Hrmo原子中电子的能量状态遵循量子力学定律：它们不是连续分布的，而是被限制在某些定义明确的值中这也被称为量子化。这种量子化状态是量子比特（qubit）的基础，科学家们希望用它来制造极其强大的量子计算机。为此，原子必须冷却并被困在一个地方。强捕获可以通过电离原子来实现，也就是给原子带上电荷。然而，电磁学的一个基本定律指出，时间恒定的电场无法捕获单个带电粒子。另一方面，通过加入一个振荡电磁场，就可以得到一个稳定的离子阱，也称为保罗阱。通过这种方法，近年来已经可以用离子阱制造出包含约 30 个量子比特的量子计算机。然而，这种技术无法直接实现更大的量子计算机。振荡场使得很难在单个芯片上组合多个这样的阱，而且使用振荡场会使阱发热系统越大，问题越严重。同时，离子的传输仅限于沿着交叉连接的线性部分通过。在二维平面上移动单个受困离子并用激光束照射，研究人员就能制作出 ETH 的标志。图像是通过多次重复传输序列的平均值形成的。资料来源：苏黎世苏黎世联邦理工大学/量子电子研究所带磁场的离子阱由乔纳森-霍姆（Jonathan Home）领导的苏黎世苏黎世联邦理工大学研究小组现已证明，适合量子计算机使用的离子阱也可以使用静态磁场而不是振荡磁场来构建。在这些带有额外磁场的静态阱（称为潘宁阱）中，未来超级计算机的任意传输和必要操作都得以实现。研究人员最近在科学杂志《自然》上发表了他们的研究成果。博士生 Shreyans Jain 说："传统上，当人们想要俘获非常多的离子进行精密实验时，就会使用潘宁陷阱，但无需对它们进行单独控制，相比之下，在基于离子的小型量子计算机中，则使用保罗陷阱。"苏黎世联邦理工大学的研究人员提出的利用潘宁陷阱制造未来量子计算机的想法最初遭到了同事们的质疑。原因有很多：潘宁陷阱需要极强的磁铁，而磁铁非常昂贵且体积庞大。此外，以前实现的潘宁陷阱都非常对称，而 ETH 使用的芯片级结构却违反了这一点。将实验置于大型磁铁中，很难引导控制量子比特所需的激光束进入陷阱，而强磁场会增加量子比特能态之间的间距。这反过来又使控制激光系统变得更加复杂：不再需要一个简单的二极管激光器，而是需要几个锁相激光器。使用过的潘宁阱中间部分示意图。通过不同电极（黄色）产生的电场和磁场的组合，离子（红色）被俘获。资料来源：苏黎世苏黎世联邦理工大学/量子电子学研究所任意方向的传输然而，霍姆和他的合作者们并没有被这些困难吓倒，他们在布伦瑞克物理技术苏黎世联邦理工大学（Physikalisch-Technische Bundesanstalt in Braunschweig）制造的超导磁体和带有多个电极的微加工芯片的基础上，建造了一个潘宁陷阱。使用的磁铁能提供 3 特斯拉的磁场，比地球磁场强近 10 万倍。苏黎世的研究人员利用低温冷却镜系统，成功地将必要的激光穿过磁铁照射到离子上。它们的努力终于有了回报：一个被捕获的离子可以在捕获器中停留数天，现在可以在芯片上任意移动，通过控制不同的电极"如飞"连接各点这是以前基于振荡场的旧方法无法实现的。由于诱捕不需要振荡场，因此可以在一块芯片上安装许多诱捕器。作为博士生参与实验的托比亚斯-赛格瑟（Tobias Sägesser）说："一旦充好电，我们甚至可以将电极与外界完全隔离，从而研究离子受外界影响的干扰程度。"质子的相干控制研究人员还证明，在保持量子力学叠加的同时，还可以控制被困离子的量子比特能态。相干控制既适用于离子的电子（内部）状态和（外部）量子化振荡状态，也适用于内部和外部量子态的耦合。后者是产生纠缠态的先决条件，而纠缠态对量子计算机非常重要。下一步，霍姆希望在同一芯片上的相邻潘宁陷阱中俘获两个离子，从而证明也可以进行多个量子比特的量子操作。这将是利用潘宁陷阱中的离子实现量子计算机的最终证明。教授还考虑了其他应用。例如，由于新陷阱中的离子可以灵活移动，它们可以用来探测表面附近的电场、磁场或微波场。这就为利用这些系统作为表面特性的原子传感器提供了可能性。编译自:ScitechDaily ... PC版： 手机版：