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：

中国科大构建出基于纠缠的城域量子网络

中国科大构建出基于纠缠的城域量子网络 通过量子态的远程传输来构建量子网络是大尺度量子信息处理的基本要素。基于量子网络，可以实现广域量子密钥分发以及分布式量子计算和量子传感，构成未来“量子互联网”的技术基础。目前，基于单光子传输的量子密钥网络已发展成熟，而面向分布式量子计算、分布式量子传感等进一步量子网络应用，需要采用量子中继技术在远距离量子存储器间构建量子纠缠，在此基础上通过广域量子隐形传态将各个量子信息处理节点连接起来。新研究使得现实量子纠缠网络的距离由几十米提升至几十公里，为后续开展分布式量子计算、分布式量子传感等量子网络应用奠定基础，该研究是国际首个城域多节点量子网络实验。《自然》杂志也在同一期发表了美国哈佛大学Lukin团队的相关实验进展，该团队首次在SiV色心体系实现了双节点远距离纠缠。二者相比，中国科大成果在纠缠效率方面有明显优势，比哈佛大学的研究高两个数量级以上。 ... PC版： 手机版：

量子纠缠光子在波士顿街道下飞行了35公里

量子纠缠光子在波士顿街道下飞行了35公里 访问：NordVPN 立减 75% + 外加 3 个月时长 另有NordPass密码管理器 就像我们所熟知的互联网一样，量子网络通过光这里是量子纠缠光子来发送信息。但是，它们需要"中继器"，以防止这些光子像光通常所做的那样发生长距离散射，而且中继器必须能够在不破坏光子纠缠和修改信息的情况下发送光子。本次演示中部署的量子链路图。携带与量子存储器纠缠的量子信息的光子穿过剑桥和波士顿的多个街区，行程超过 35 公里，然后返回哈佛大学，在另一个实验室中将其纠缠转移到另一个存储器上。哈佛大学和 AWS 称，这些实验节点利用钻石中的空腔"捕获光线并迫使其与量子存储器相互作用"。这些节点可以利用现有的纳米加工技术批量生产。在实验过程中，研究小组将一个量子比特编码成一个光子，并将其从哈佛大学实验室的量子存储器上弹出。以下是文档摘录：当光子与量子存储器相互作用时，它就会与存储器纠缠在一起这意味着对光子或 存储器进行的测量都会提供对方的状态信息（从而修改对方的状态）。然而，光子并没有被测量（从而提取信息），而是经过量子频率转换，从可见光频率（量子存储器工作的频率）转换到电信频率（光纤中的损耗最小的频率）。然后，（现在是电信频率的）光子在地下光纤网络中来回穿梭，最后返回哈佛大学，并在那里被转换回可见光频率。最后，光子从第二个存储器弹出后，被送往一个探测器，探测器会记录光子的存在，但不会显示光中包含的任何潜在量子信息。然后，光子从可见光频率转换为电信频率，再反弹到不同的实验室，从而完成旅程。AWS 称，早期实验显示，量子纠缠光子的传输距离超过 35 公里。纠缠光子的存储时间超过一秒，该公司称这"足以让光传播 30 多万公里"，足以绕地球 7.5 圈。网络中使用的设备示意图。位于一个光子设备（左下）内的 SiV 与光子纠缠，光子穿过电信光纤（上），然后与位于不同位置（右）的量子存储器相互作用。最终，两个空间上分离的量子存储器之间产生了纠缠。能源部解释说，量子网络与量子计算的原理相同，都是利用光子的量子态来携带信息。量子网络的实验已经进行了一段时间了，但还没有人制造出完全商业化的版本。AWS 表示，在其量子网络具备可扩展性和商业可行性之前，还需要进行更多改进。到目前为止，它的速度还很慢，而且一次只能发送一个量子存储器。 ... 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：

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

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：