研究人员成功冷却了正电子原子 对反物质研究产生了重大影响

研究人员成功冷却了正电子原子 对反物质研究产生了重大影响 正电子冷却。欧洲核子研究中心的 AEgIS 合作小组在实验中演示了使用基于变石的激光系统对正电子进行激光冷却。资料来源：欧洲核子研究中心-米兰理工大学研究人员成功冷却了正电子原子，对反物质研究产生了重大影响，并促成了量子电动力学的新实验和反物质玻色-爱因斯坦凝聚物的可能性。被正电子束击中的多孔靶（室温）中流出的 Ps 原子的等效温度从 380 K 降至 170 K，相应地，Ps 均方根速度的横向分量也从 54 km/s 降至 37 km/s。正电子的独特性质Ps 是氢的小兄弟，正电子取代了质子。因此，它比氢轻约 2000 倍，能级降低了 2 倍。它很不稳定：在真空和基态下，两个粒子的自旋平行，它的湮灭寿命只有 142 毫微秒。在其短暂的生命周期内，必须进行 Ps 冷却，这使得这一过程相对于普通原子而言极具挑战性。使用大带宽脉冲激光器的好处是可以冷却大部分正电子云，同时延长它们的有效寿命，从而在冷却后获得更多的 Ps 供进一步实验使用。对反物质研究的影响AEgIS 实验的目的是测量反氢气的重力加速度（作为反物质弱等价原理的测试），在该实验中，最后一个加速度是通过处于激发态的 Ps 与被困反质子之间的反应获得的。Ps的速度越低，形成反氢的概率就越高，因此必须尽可能产生动能最低的Ps。推进基础科学和潜在应用获得足够"冷"的 Ps 原子对基础科学至关重要，例如，对 Ps 激发能级进行精密光谱分析，可以前所未有的精度测试量子电动力学，或用纯轻子系统测试等效原理。此外，建立一个冷铂原子集合体的可能性可以为第一个反物质玻色-爱因斯坦凝聚态（BEC，已通过激光冷却普通原子获得）铺平道路，在这种状态下，量子力学现象会宏观地显现出来。正电子玻色-爱因斯坦凝聚态将导致受激湮灭，这已被提议作为产生伽马射线能量范围内的相干电磁辐射的一种方法。该成果已作为编辑亮点发表在《物理评论快报》上。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：

研究人员发现了一种令人惊讶的简单方法来制造低温冷却器

研究人员发现了一种令人惊讶的简单方法来制造低温冷却器 低温冷却的实际应用数量惊人。它被用来保存组织、卵子、精子甚至胚胎。它使 CAT 扫描仪、欧洲核子研究中心的大型粒子加速器和某些磁悬浮系统成为可能。它有数以百计的工程应用，为詹姆斯-韦伯太空望远镜（James Webb Space Telescope）提供了探测太空深处的非凡能力，也许有一天会成为实现核聚变动力或量子计算机的关键。在超低温条件下，一些奇怪的物理学原理开始发挥作用。例如，超导性允许电流以零电阻通过某些材料。超流动性允许某些液体（如氦气）在没有任何粘度的情况下流动，此时它似乎开始无视正常规则，爬上并越过容器的边沿。接近绝对零度时，量子现象会减慢到我们可以实际利用它们的程度，可以开始得到玻色-爱因斯坦凝聚体，在这种凝聚体中，原子团不再像个体那样行动，而是聚集在一起，并同步进入相同的量子态，开始像'超级原子'那样行动。但在绝对零度附近工作的一个问题是，达到这一温度既昂贵又耗时。40 多年来，脉冲管冰箱（PTR）一直是达到 4 ºK (-452 ºF, -269 ºC) 或绝对零度以上四度温度的首选技术。它是一种简单得令人惊讶的机器，工作原理与厨房里的冰箱大致相同。PTR 使用的是压缩气体，气体膨胀时会产生热量。不过，PTR 使用的不是氟利昂或异丁烷，而是氦气这使它能够将物体冷却到物理学的理论极限。它可以工作，但要达到理想的冷却效果，需要花费数天时间和大量能源。美国国家标准与技术研究院（NIST）研究员瑞安-斯诺德格拉斯（Ryan Snodgrass）和他的团队研究了 PTR 的工作原理，试图找出提高其效率的方法。他们发现，所需要的是一个令人惊讶的简单修复方法。研究小组发现，PTR 在接近绝对零度的温度下工作得非常好，但在室温下，也就是必须开始冷却的温度下，它的效率却很低。他们发现，在较高温度下，氦气的压力非常高，以至于氦气一直被分流到溢流阀中，而没有起到任何冷却作用。通过调换压缩机和冰箱之间的机械连接，然后调整阀门，使其在流程开始时处于大开状态，并在冷却过程中逐渐关闭，他们可以实现更高的效率，并将冷却速度提高一半到四分之一，而这一切都不会浪费宝贵的氦气。据该研究小组称，如果新型冰箱的原型能够投放市场，取代现有设备，那么每年可节省 2700 万瓦特的电能，为全球节约 3000 万美元的电费，以及足够填满 5000 个奥林匹克游泳池的冷却水。这将大大改变一系列超冷技术的成本/效益等式。这项研究发表在《自然通讯》上。 ... PC版： 手机版：

中科院院士段路明团队在量子研究领域取得重要突破 《自然》官网发表

中科院院士段路明团队在量子研究领域取得重要突破 《自然》官网发表 段路明院士（右一）指导学生实验。清华大学 供图研究团队介绍，离子阱系统被认为是最有希望实现大规模量子模拟和量子计算的物理系统之一，多个实验验证了离子量子比特的高精密相干操控，该系统的规模化被认为是主要挑战。清华段路明研究组利用低温一体化离子阱技术和二维离子阵列方案，大规模扩展离子量子比特数，提高离子阵列稳定性，首次实现512离子二维阵列的稳定囚禁和边带冷却，并首次对300离子实现可单比特分辨的量子态测量。研究人员进而利用300个离子量子比特实现可调耦合的长程横场伊辛模型的量子模拟计算。长程横场伊辛模型，是一类重要的量子多体模型，有助于理解量子信息、凝聚态物理等领域的基本问题，也可用于求解优化问题等现实应用。该工作实现了国际上最大规模具有单比特分辨率的多离子量子模拟计算，将该研究组保持的离子量子比特数国际记录（61离子），往前推进了一大步，首次实现基于二维离子阵列的大规模量子模拟。研究人员还对该模型的动力学演化进行量子模拟计算，300个离子量子比特同时工作时，所能执行的计算复杂度达到2的300次方，超越经典计算机的直接模拟能力。该实验系统为进一步研究多体非平衡态量子动力学这一重要难题提供了强大的工具。 ... PC版： 手机版：

潘建伟团队成功构建求解费米子哈伯德模型的超冷原子量子模拟器

潘建伟团队成功构建求解费米子哈伯德模型的超冷原子量子模拟器 相关研究成果于7月10日在线发表在国际学术期刊《自然》杂志上。“天元”量子模拟器示意。红色和蓝色的小球分别代表自旋相反的原子，它们在三维空间交错排列，形成了反铁磁晶体。原子被光晶格囚禁在玻璃真空腔中。据介绍，费米子哈伯德模型是晶格中电子运动规律的最简化模型，被认为是有希望解释高温超导机理这一困扰物理学界近四十年难题的核心物理模型。一旦理解其物理机制，就能够规模化地设计、生产和应用新型的高温超导材料，在电力传输、医学、超算等领域产生变革性影响。潘建伟院士介绍，量子计算为求解若干经典计算机难以胜任的计算难题提供了全新的方案。此次潘建伟院士团队结合前期研究成果，实现了最低温度的均匀费米简并气体制备，满足了实现反铁磁相变所需要的低温。并进一步创造性地将盒型光势阱和平顶光晶格技术相结合，实现了空间均匀的费米子哈伯德体系的绝热制备。在此基础上，研究团队通过精确调控相互作用强度、温度和掺杂浓度，成功构建出求解费米子哈伯德模型的超冷原子量子模拟器，直接观察到反铁磁相变的确凿证据自旋结构因子在相变点附近呈现幂律的临界发散现象。从而首次验证了费米子哈伯德模型包括掺杂条件下的反铁磁相变。该工作推进了对费米子哈伯德模型的理解，不仅是理解高温超导机理的有效途径，也是量子计算研究的重大突破。 ... PC版： 手机版：

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：