科学家研发新型纳米光子芯片 比MacBook Pro微电子处理器快数千倍

科学家研发新型纳米光子芯片比MacBookPro微电子处理器快数千倍自无线电报和真空管时代以来，电子计算和通信已取得显着进步。事实上，当前消费设备所实现的处理能力和内存水平在几十年前是无法想象的。但随着计算和信息处理微型设备变得越来越小、越来越强大，这些设备正遇到量子物理定律强加的一些基本限制。PC版：https://www.cnbeta.com/articles/soft/1323939.htm手机版：https://m.cnbeta.com/view/1323939.htm

新型光子芯片正在突破光学无线通信技术的最大物理障碍

新型光子芯片正在突破光学无线通信技术的最大物理障碍新的先进光子芯片已经开发出来，它可以优化光学无线系统的光传输。这些芯片对于未来5G和6G网络至关重要，代表着向节能模拟技术的转变，并在高速数据处理和通信领域具有广泛的应用。图片来源：米兰理工大学有一个问题是众所周知的：光对任何形式的障碍物都很敏感，即使是非常小的障碍物。例如，想一想当透过磨砂窗户或当我们的眼镜起雾时我们如何看到物体。这种效果与光学无线系统中携带数据流的光束非常相似：信息虽然仍然存在，但却完全扭曲并且极难检索。这项研究中开发的设备是用作智能收发器的小型硅芯片：成对工作，它们可以自动且独立地“计算”光束需要什么形状，以便以最大效率穿过通用环境。这还不是全部：它们还可以生成多个重叠的光束，每个光束都有自己的形状，并引导它们而不互相干扰；这样，传输容量就大大增加，正如下一代无线系统所要求的那样。“我们的芯片是数学处理器，可以非常快速有效地利用光进行计算，几乎不消耗能源。光束通过简单的代数运算（本质上是求和和乘法）生成，直接对光信号执行，并通过直接集成在芯片上的微天线传输。这项技术具有许多优点：处理极其简单、能源效率高以及超过5000GHz的巨大带宽。”米兰理工大学光子器件实验室负责人FrancescoMorichetti解释道。“如今，所有信息都是数字化的，但事实上，图像、声音和所有数据本质上都是模拟的。数字化确实允许非常复杂的处理，但随着数据量的增加，这些操作在能源和计算方面变得越来越不可持续。如今，人们对通过专用电路（模拟协处理器）回归模拟技术抱有极大兴趣，专用电路将成为未来5G和6G无线互连系统的推动者。我们的芯片就是这样工作的，”米兰理工大学微纳米技术中心Polifab主任AndreaMelloni介绍说。“使用光学处理器的模拟计算在许多应用场景中至关重要，包括神经形态系统的数学加速器、高性能计算(HPC)和人工智能、量子计算机和密码学、高级本地化、定位和传感器系统，总的来说，需要以非常高的速度处理大量数据的系统，”圣安娜高等学校TeCIP研究所（电信、计算机工程和光子学研究所）的电子学教授MarcSorel补充道。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1400719.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1400719.htm

原子分辨率图像揭示手性界面态 有望推动量子计算和节能电子学发展

原子分辨率图像揭示手性界面态有望推动量子计算和节能电子学发展美国劳伦斯伯克利国家实验室领导的国际研究小组，拍摄了第一张原子分辨率图像，直接可视化了手性界面态电控制过程和状态。手性界面态是一种奇异的量子现象。最新研究有助促进量子计算和节能电子学发展。相关论文发表于新一期《自然・物理学》杂志。新发现或有助研究团队构建可调谐的电子通道网络，从而研制出节能微电子和低功耗磁存储设备，以及利用量子反常霍尔绝缘体内奇异电子行为进行量子计算。

研究人员率先在光子芯片上实现量子模拟

研究人员率先在光子芯片上实现量子模拟罗切斯特大学的研究人员开发的一个新系统使他们能够在一个模拟物理世界的合成空间中进行量子模拟，通过控制量子纠缠光子的频率，或颜色，随着时间的推移。资料来源：罗切斯特大学图片/MichaelOsadciw来自罗切斯特大学哈吉姆工程与应用科学学院的一个研究小组开发了一个新的芯片级光量子模拟系统，可以帮助使这种系统变得可行。由电子和计算机工程及光学教授林强领导的这个团队于6月22日在《自然-光子学》杂志上发表了他们的研究结果。林强的团队在一个模拟物理世界的合成空间中进行了模拟，通过控制量子纠缠光子的频率或颜色，随着时间的流逝。这种方法不同于传统的基于光子的计算方法，在这种方法中，光子的路径被控制，也大大减少了物理足迹和资源需求。"我们第一次能够生产出量子相关的合成晶体，"林说。"新方法大大扩展了合成空间的尺寸，使我们能够对几个量子尺度的现象进行模拟，如量子纠缠光子的随机行走。"研究人员介绍说，这个系统可以作为未来更复杂的模拟的基础。"虽然被模拟的系统已被充分理解，但这个原则性证明实验显示了这种新方法的力量，可以扩展到更复杂的模拟和计算任务，这是我们在未来非常兴奋的研究内容，"该研究的主要作者UsmanJavid'23博士（光学）说。林强小组的其他共同作者包括雷蒙德-洛佩斯-里奥斯、凌敬伟、奥斯汀-格拉夫和杰里米-斯塔法。该项目得到了美国国家科学基金会、国防威胁减少局的化学和生物防御联合科技办公室以及国防高级研究计划局的资助。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1368509.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1368509.htm

认识Q-硅 - 一种用于自旋电子量子计算机的新型磁性材料

认识Q-硅-一种用于自旋电子量子计算机的新型磁性材料北卡罗来纳州立大学团队通过使用持续时间仅为纳秒的激光脉冲撞击非晶硅，使其熔化后又迅速冷却以再次硬化从而获得了这一发现。这创造了一种新的硅形式，该团队将其称为Q-硅，类似于他们之前创建Q-碳的工作。Q-硅拥有一些普通旧硅所缺乏的新特性，其中最重要的是室温下的铁磁性。这种磁性对于某些数据存储方法至关重要，并且可以帮助解锁一个称为自旋电子学的新兴领域，顾名思义，该领域通过电子的“自旋”而不是电荷来传输和存储数据，就像当前的电子产品一样。这有可能使设备更小、更快、更节能。这也可能使其成为量子计算机的绝佳材料，量子计算机不仅可以存储1和0的信息，还可以同时存储两者的叠加信息。这使得它们能够执行比任何传统计算机更先进的计算。不仅仅是铁磁性，与普通材料相比，Q-硅还表现出更高的硬度和超导性，这两种特性也有助于自旋电子学和量子计算。该研究的通讯作者杰伊·纳拉扬(JayNarayan)表示：“Q-硅的这一发现将通过增加自旋电子学或基于自旋的量子计算等新功能来彻底改变现代微电子学。简而言之，Q-silicon为自旋电子学与芯片上微电子学的集成提供了一个理想的平台。”该研究发表在《材料研究快报》杂志上。阅读文献：https://www.tandfonline.com/doi/full/10.1080/21663831.2023.2224396...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1368931.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1368931.htm

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FrankWilczek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PeterZoller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：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1430083.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1430083.htm