科学家利用固态自旋量子传感器研究了电子自旋之间新的速度相关相互作用

科学家利用固态自旋量子传感器研究了电子自旋之间新的速度相关相互作用 标准模型是粒子物理学中一个非常成功的理论框架，描述了基本粒子和四种基本相互作用。然而，标准模型仍然无法解释当前宇宙学中的一些重要观测事实，例如暗物质和暗能量。一些理论认为，新粒子可以充当传播者，在标准模型粒子之间传递新的相互作用。目前，缺乏关于自旋速度相关新相互作用的实验研究，特别是在相对较小的力距离范围内，几乎不存在实验验证。研究人员设计了一个配备两颗钻石的实验装置。使用化学气相沉积在每颗钻石表面制备了高质量的氮空位 （NV） 集成。一个NV系综中的电子自旋用作自旋传感器，而另一个则充当自旋源。研究人员通过相干地操纵两个金刚石NV系综的自旋量子态和相对速度，在微米尺度上寻找电子速度依赖性自旋之间的新相互作用效应。首先，他们使用自旋传感器来表征磁偶极子与自旋源的相互作用作为参考。然后，通过调制自旋源的振动并执行锁定检测和相位正交分析，他们测量了SSIVD。研究的实验结果。图片来源：DU et al.对于两种新的相互作用，研究人员分别在小于1厘米和小于1公里的力范围内进行了首次实验检测，获得了宝贵的实验数据。正如编辑所说，“这些结果为量子传感界带来了新的见解，以利用固态自旋的紧凑、灵活和敏感特征来探索基本相互作用。该团队由中国科学院中国科学技术大学杜江峰院士和邢荣教授领导，浙江大学焦满教授合作。更多信息：Yue Huang 等人，与固态量子传感器的奇异自旋-自旋-速度相关相互作用的新约束，物理评论快报 （2024）。DOI： 10.1103/PhysRevLett.132.180801 ... 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：

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：

洛桑联邦理工学院（EPFL）研究人员实现在室温下控制量子现象

洛桑联邦理工学院（EPFL）研究人员实现在室温下控制量子现象 操作装置的概念图，由两个周期性分割的镜子夹着一个装有纳米柱的鼓组成，使激光能在室温下与鼓产生强烈的量子力学相互作用。图片来源：EPFL 和第二湾工作室传统上，这种观测只能在接近绝对零度的环境中进行，因为那里的量子效应更容易被探测到。然而，对极冷环境的要求一直是一个主要障碍，限制了量子技术的实际应用。现在，EPFL 的托比亚斯-基彭伯格（Tobias J. Kippenberg）和尼尔斯-约翰-恩格尔森（Nils Johan Engelsen）领导的一项研究重新定义了可能的界限。这项开创性工作融合了量子物理学和机械工程，实现了对室温下量子现象的控制。基彭伯格说："几十年来，实现室温量子光力学一直是一个公开的挑战。我们的工作有效地实现了海森堡显微镜长期以来一直被认为只是一个理论玩具模型。"在今天（2 月 14 日）发表在《自然》杂志上的实验装置中，研究人员创建了一个超低噪声光机械系统一种光与机械运动相互连接的装置，使他们能够高精度地研究和操纵光如何影响移动物体。晶体状空腔镜，中间是鼓。图片来源：Guanhao Huang/EPFL室温的主要问题是热噪声，它会干扰微妙的量子动力学。为了最大限度地减少热噪声，科学家们使用了空腔镜，这是一种专门的反射镜，能在密闭空间（空腔）内来回反弹光线，有效地"捕获"光线，并增强光线与系统中机械元件的相互作用。为了减少热噪声，这些镜子采用了类似晶体的周期性（"声子晶体"）结构。另一个关键部件是一个 4 毫米的鼓状装置，称为机械振荡器，它在空腔内与光相互作用。它相对较大的尺寸和设计是将其与环境噪声隔离开来的关键，这使得在室温下探测微妙的量子现象成为可能。恩格尔森说："我们在这项实验中使用的鼓是多年努力的结晶，目的是制造出与环境隔离良好的机械振荡器。""我们用来处理难缠的复杂噪声源的技术，对更广泛的精密传感和测量领域具有重要意义和影响，"领导该项目的两名博士生之一黄冠豪说。这种量子现象是指通过操纵光的某些特性，如强度或相位，来减少一个变量的波动，而以增加另一个变量的波动为代价，正如海森堡原理所规定的那样。通过在他们的系统中演示室温下的光学挤压，研究人员表明，他们可以有效地控制和观察宏观系统中的量子现象，而无需极低的温度。研究小组认为，该系统在室温下运行的能力将扩大量子光机械系统的使用范围，而量子光机械系统是量子测量和量子力学在宏观尺度上的既定试验平台。领导这项研究的另一名博士生阿尔贝托-贝卡里（Alberto Beccari）补充说："我们开发的系统可能会促进新的混合量子系统，在这种系统中，机械鼓与不同的物体（如被困的原子云）发生强烈的相互作用。这些系统对量子信息非常有用，有助于我们了解如何创建大型复杂量子态。"编译来源：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：

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：