中国实现百公里自由空间时频传递

中国实现百公里自由空间时频传递中国首次在国际上实现百公里级的自由空间高精度时间频率传递实验，实验结果有望对暗物质探测、物理学基本常数检验、相对论检验等基础物理学研究产生重要影响。据央视网报道，中国科学技术大学潘建伟团队与上海技物所、新疆天文台等单位合作，在国际上实现百公里级的自由空间高精度时间频率传递实验，成果于10月5日晚在国际学术期刊《自然》杂志发表。在光源方面，中国科学家研制出高功率高稳定度光梳，在光信号收发信道方面，研制出高稳定性且高效率的光收发望远镜系统，另外采用线性光学采样的干涉测量方式实现高精度的时间测量。经过一系列技术攻关，终于在相隔113公里的新疆南山天文台和高崖子天文台之间实现了万秒10的负19次方量级稳定度的时频传递。在科学领域，时间的测量精度已经步入10的负19次方量级，也就是百亿年，误差不到1秒。作为七大基本物理量之一的时间，是目前测量最精确的物理量。有最精确的计时，还要有与之精度相匹配的时间传递技术，两者同样重要。时间的精确测量和传递，将使人们能够对相对论原理、各种引力理论、暗物质模型等等基础物理进行实验检验。同时这也和人类生活密切相关，例如，卫星的导航精度与计时精度紧密相关，要想定位更准确，比如精确到毫米以下，就需要更好的计时精度。在大地测量、地质勘探、雷达探测等等涉及社会民生的领域，精确的时间也都将发挥重要作用。现在“秒”的定义是1967年确定的，经过几十年的发展，国际计量组织计划2026年讨论“秒”定义的变更。中国科学技术大学教授张强说，“那么它也证明了就是说将来放在卫星上，可以基于卫星来做这种洲际的这种（时间）比对。那么如果能够实现洲际的比对的话，那么我们就可以实现新一代的这个’秒‘定义。”发布：2022年10月6日10:41AM

光子精度：量子物理学家如何打破敏感度的界限

光子精度：量子物理学家如何打破敏感度的界限通过频率分辨采样测量它们在分束器上的干扰，研究小组表明，在目前的技术范围内可以达到前所未有的精度，估计的误差可以通过降低光子时间带宽进一步降低。这一突破对一系列应用有重大意义，包括对纳米结构（包括生物样本）和纳米材料表面进行更可行的成像，以及基于光网络中频率分辨玻色子采样的量子增强估计。这项研究是由朴茨茅斯大学的一个科学家团队进行的，由该大学的量子科学技术中心主任VincenzoTamma博士领导。Tamma博士说："我们的技术利用了当两个单光子撞击分光器的两个面，在分光器输出通道测量时无法区分时发生的量子干扰。如果在撞击分光器之前，一个光子由于穿过样品或被样品反射而在时间上相对于另一个光子有所延迟，那么人们可以通过探测分光器输出端光子的量子干扰来实时检索这种延迟的值，从而检索出样品的结构。当通过对两个光子的频率进行采样测量来解决这种双光子干扰时，可以实现对时间延迟的最佳测量精度。事实上，这确保了两个光子在检测器上保持完全不可区分，不管它们在输出端检测到的任何采样频率值的延迟如何。"该团队提出使用双光子干涉仪来测量两个光子在分束器处的干扰。然后，他们引入了一种基于频率分辨采样测量的技术，以自然界所允许的最佳精度来估计两个光子之间的时间延迟，并且在光子时间带宽减少的情况下，灵敏度越来越高。这一技术克服了以前的双光子干扰技术的局限性，没有在测量过程中检索到光子频率的信息。"它允许我们采用实验上可能的最短持续时间的光子，而不影响探测器上延时光子的可区分性，因此在显著减少所需光子对数量的情况下，最大限度地提高了延时估计的精度。这允许对给定的样品进行相对快速和有效的表征，为生物学和纳米工程的应用铺平道路。"这项突破性研究的应用是非常重要的。它有可能大大改善纳米结构的成像，包括生物样品和纳米材料表面。此外，它还可能导致在光网络中基于频率分辨的玻色子采样的量子增强估计。该研究的结果发表在《物理评论应用》杂志上。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1358073.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1358073.htm

精度提高1000倍 下一代原子钟研发又有新突破

精度提高1000倍下一代原子钟研发又有新突破艺术家描绘的钪核钟：科学家们利用欧洲XFEL的X射线脉冲激发了钪原子核中能够产生时钟信号的过程，其精确度达到了前所未有的3000亿年一秒。资料来源：欧洲XFEL/耶拿赫尔姆霍兹研究所，TobiasWüstefeld/RalfRöhlsberger当前的原子钟机制原子钟是目前世界上最准确的计时器。这些时钟使用化学元素（例如铯）原子层中的电子作为脉冲发生器来定义时间。使用已知频率的微波可以将这些电子提升到更高的能级。在此过程中，它们吸收微波辐射。原子钟向铯原子发射微波并调节辐射频率，以使微波的吸收最大化；专家称之为共振。产生微波的石英振荡器可以在共振的帮助下保持稳定，使得铯钟在3亿年内精确到一秒以内。对于原子钟的精度来说至关重要的是所使用的共振宽度。目前的铯原子钟已经使用非常窄的共振；锶原子钟的精度更高，150亿年仅差一秒。使用这种电子激发方法实际上不可能实现进一步的改进。因此，世界各地的团队多年来一直在研究“核”时钟的概念，该时钟使用原子核中的跃迁作为脉冲发生器，而不是原子壳中的跃迁。核共振比原子壳层中电子的共振剧烈得多，但也更难激发。钪带来的突破在欧洲XFEL，该团队现在可以在元素钪的原子核中激发出有希望的转变，钪元素很容易以高纯度金属箔或化合物二氧化钪的形式获得。这种共振需要能量为12.4千电子伏的X射线（keV，大约是可见光能量的10,000倍），宽度仅为1.4飞电子伏特(feV)。这是1.4万亿分之一电子伏特，大约仅为激发能(10-19)的十分之一。这使得1:10,000,000,000,000的精度成为可能。“这相当于3000亿年中的一秒，”在耶拿亥姆霍兹研究所工作的DESY研究员RalfRöhlsberger说道，该研究所是GSI亥姆霍兹重离子研究中心、亥姆霍兹德累斯顿-罗森多夫中心(HZDR)和亥姆霍兹中心的联合机构。。应用和未来潜力原子钟有许多受益于精度提高的应用，例如使用卫星导航进行精确定位。“钪共振的科学潜力在30多年前就被发现了，”该实验的项目负责人、美国阿贡国家实验室的尤里·施维德科(YuriShvyd’ko)报告提到。“然而，到目前为止，还没有任何X射线源能够在钪的1.4feV窄线内发出足够明亮的光，”进行该实验的欧洲XFELMID实验站的首席科学家安德斯·马德森(AndersMadsen)介绍说：“只有欧洲XFEL等X射线激光器才改变了这一情况。”在这项开创性的实验中，研究小组用X射线激光照射0.025毫米厚的钪箔，并能够检测到受激发的原子核发出的特征余辉，这是钪极窄共振线的明确证据。对于原子钟的构造来说，同样重要的是准确了解共振能量，换句话说，就是发生共振的X射线激光辐射的能量。先进的极端噪声抑制和高分辨率晶体光学使实验中的钪共振能量值在12.38959keV处确定在小数点后五位以内，比以前精确了250倍。海德堡马克斯普朗克核物理研究所的数据分析负责人JörgEvers强调说：“跃迁能量的精确测定标志着一项重大进展。准确了解这种能量对于实现基于钪的原子钟至关重要。”研究人员现在正在探索实现这种原子核钟的进一步步骤。Shvyd’ko解释道：“钪共振激发及其能量精确测量的突破不仅为核钟开辟了新途径，也为超高精度光谱学和基本物理效应的精确测量开辟了新途径。”美国德克萨斯农工大学的奥尔加·科恰洛夫斯卡娅（OlgaKocharovskaya）是美国国家科学基金会资助的该项目的发起人和领导者，她补充道：“例如，如此高的精度可以允许在亚毫米距离探测重力时间膨胀。这将有助于研究迄今为止无法实现的长度尺度上的相对论效应。”...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1387327.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1387327.htm

物理学家以前所未有的精确度测量原子核的波状振动

物理学家以前所未有的精确度测量原子核的波状振动研究人员在科学杂志《自然-物理》上发表的论文中断言，他们的测量结果是迄今为止对核材料波状运动最精确的确认。此外，他们没有发现任何证据表明原子核之间的作用力有任何偏差。近100年来，简单原子一直是精密实验和理论研究的对象，其中对氢原子--只有一个电子的最简单原子--的描述和测量工作堪称开创性。目前，氢原子能量及其电磁频谱是最精确计算的束缚量子系统能量。由于还可以对频谱进行极其精确的测量，因此将理论预测与测量结果进行比较可以检验预测所依据的理论。实验示意图：在离子阱（灰色）中，激光波（红色）被发送到HD+分子离子（黄色/红色点对）上，引起量子跃迁。这反过来又导致分子离子的振动状态发生变化。这一过程与光谱线的出现相对应。激光波长经过精确测量。图片来源：HHU/SorooshAlighanbari此类测试非常重要。全世界的研究人员都在寻找暗物质存在可能产生的新物理效应的证据--尽管至今未果。这些效应将导致测量与预测之间的差异。与氢原子相比，最简单的分子在很长一段时间内都不是精确测量的对象。然而，由哈佛大学实验物理学系主任斯蒂芬-席勒教授（StephanSchillerPh.D.）领导的研究小组却致力于这一课题的研究。在杜塞尔多夫，该研究小组开展了开创性的工作，开发出了世界上最精确的实验技术。最简单的分子是分子氢离子（MHI）：氢分子缺少一个电子，由三个粒子组成。其中一种变体H2+由两个质子和一个电子组成，而HD+则由一个质子、一个氘核（一种较重的氢同位素）和一个电子组成。质子和氘核是带电的"重子"，即受到所谓强力作用的粒子。MHI的示意图，这里是一个HD+分子：它由一个氢原子核（p）和一个氘核（d）组成，这两个原子核可以相互旋转和振动。此外，还有一个电子（e）。p和d的运动表现为光谱线的出现。资料来源：HHU/SorooshAlighanbari在分子内部，各成分可以有不同的行为方式：电子围绕原子核运动，而原子核则相互振动或旋转，粒子的行为就像波一样。量子理论详细描述了这些波的运动。不同的运动模式决定了分子的光谱，反映在不同的光谱线上。光谱的产生方式与原子光谱类似，但要复杂得多。目前物理学研究的艺术在于极其精确地测量光谱线的波长，并在量子理论的帮助下极其精确地计算这些波长。如果这两个结果相吻合，就证明了预测的准确性，而如果不吻合，则可能为"新物理学"埋下伏笔。多年来，哈佛大学的物理学家团队不断改进MHI的激光光谱学，开发出各种技术，将光谱的实验分辨率提高了多个数量级。他们的目标是：光谱测量越精确，理论预测就越能得到验证。这样就能发现任何可能的理论偏差，从而为理论的修改提供起点。席勒教授的团队将实验精度提高到了优于理论的水平。为了实现这一目标，杜塞尔多夫的物理学家们将大约100个中等数量的MHI限制在一个超高真空容器的离子阱中，利用激光冷却技术将离子冷却到1毫开尔文的温度。这样就可以非常精确地测量旋转和振动跃迁的分子光谱。继早先对波长为230μm和5.1μm的光谱线进行研究之后，作者现在又在《自然-物理学》上发表了对波长更短的1.1μm光谱线的测量结果。席勒教授说："实验测定的过渡频率与理论预测一致。结合之前的结果，我们对带电重子的量子运动进行了最精确的检验：任何偏离既定量子定律的情况如果存在，其偏差必须小于千亿分之一。"这一结果也可以用另一种方式来解释：假设除了众所周知的库仑力（带电粒子之间的作用力）之外，质子和氘核之间还可能存在另一种基本力。主要作者SorooshAlighanbari博士说："这种假设的力可能与暗物质现象有关。我们在测量过程中还没有发现这种力的任何证据，但我们将继续寻找"。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1374487.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1374487.htm

精度破纪录的新一代计时器再一次推进原子钟技术

精度破纪录的新一代计时器再一次推进原子钟技术由美国德克萨斯农工大学物理与天文系杰出教授奥尔加-科恰洛夫斯卡娅博士（Dr.OlgaKocharovskaya）组成的国际研究小组在开发新一代原子钟的道路上迈出了重要的一步，这种原子钟具有影响基础科学和从核物理到卫星导航和电信等各行各业的惊人潜力。由阿贡国家实验室资深物理学家尤里-什维德科博士领导的研究小组在欧洲XFEl（EuXFEL）X射线激光设施中首次用世界上最明亮的X射线脉冲共振激发了钪-45核异构体，并以前所未有的精度确定了这一核共振的位置。他们的研究结果刊登在《自然》（Nature）杂志10月19日的网络版和印刷版上。发起和支持这项研究的美国国家科学基金会（NSF）项目的首席研究员科恰洛夫斯卡娅解释说："原子钟，如铯-133钟或锶-87钟，依靠的是原子中电子的振荡，当电子被微波或光学辐射激发时，可以以非常可靠的频率振荡。"钪是一种用于航空航天部件和运动器材的元素，其精度可达3000亿年一秒，比目前的标准原子钟高出约1000倍。钪-45与超亮X射线脉冲的结合，使科学家们距离制造出有史以来第一台可以利用原子核振荡而不是其电子外壳的原子钟又迈进了决定性的一步。艺术家描绘的钪原子钟。科学家们利用欧洲XFEL的X射线脉冲来激发钪的原子核--这种过程能够以前所未有的3000亿年一秒的精度产生时钟信号。图片来源：欧洲XFEL/耶拿赫尔姆霍兹研究所，托比亚斯-伍斯特费尔德/拉尔夫-罗尔斯伯格科恰洛夫斯卡娅研究小组的博士后研究员张希文博士是这篇论文的共同作者，他说："对于要求如此精确的目的，包括相对论、引力理论和暗物质等其他物理现象的某些方面的研究，原子钟是终极计时器。"德克萨斯农工大学物理学家格里戈里-罗加乔夫（GrigoryV.Rogachev）博士指出，原子钟的精确度高达一千万亿分之一，它可以开创精确计时的新时代，在无数领域实现变革性应用，带来大量应用和进步。德克萨斯农工大学物理与天文学系主任、德克萨斯农工大学回旋加速器研究所成员罗加乔夫说："自近代以来，人类一直在寻找制造最精确时钟的技术。目前，原子钟是最好的。科恰洛夫斯卡娅博士和她的合作者们正在向一项新的突破性技术迈出第一步。她的研究为利用钪-45同位素的独特性质制造有史以来最精确的时钟--核时钟--开辟了一条新途径。这一进展可能会在极端计量学、超高光谱学以及潜在的众多其他领域产生令人兴奋的应用"。科恰洛夫斯卡娅在过去十年中的研究兴趣主要集中在将传统量子光学领域（她将其描述为处理光学光子与原子跃迁之间的可控共振相互作用）扩展到新兴的核/X射线量子光学领域，重点是控制X射线光子与核跃迁之间的共振相互作用。在这一过程中，她发现钪-45具有长寿命的首次激发能态，是量子核存储和原子钟的最佳候选材料。她说，主要问题是利用现有的X射线源达到这种状态是否可行。30年前，Shvyd'ko就预见到钪-45在超分辨相干前向核光谱学方面的巨大潜力，以及利用新兴的新一代加速器设施中的X射线对其进行共振激发的可能性，科恰洛夫斯卡娅与Shvyd'ko一起向国家科学基金会提交了一份提案，旨在利用X射线脉冲对钪-45核异构体进行共振激发。她补充说："在数据收集的最初几个小时内，我们就看到了共振，大家都为这一成功而欢欣鼓舞。这对我们所有人来说都很有意义，尤其是尤里，他在33年前就意识到了钪-45在超分辨率核光谱学方面的巨大科学潜力，以及利用现代加速器X射线源激发钪-45的可能性。"该团队从不满足于已取得的成就，他们已经开始关注下一步的工作和目标，首先是以更高的精度确定共振转变能，并测量异构态的精确寿命。此外，还要观测相干正向核散射，测量核转变的线宽。"接下来的两个步骤可以用相对简单的方法实现，"张希文承认。"虽然第三步极具挑战性，但对于估算未来原子钟的预计精度和稳定性来说绝对至关重要。作为一个小组和更广泛的研究团队，我们都期待着迎接挑战。"...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1395791.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1395791.htm

量子计算的重大突破？IBM称攻克了“不可靠”难题

量子计算的重大突破？IBM称攻克了“不可靠”难题需要说明的是，传统计算机的基本二进制单位是0和1，要么是0，要么就是1。但是在量子计算中，它的基本计量单位量子比特既可以是0，也可以是1，还可以既是0也是1，这种现象被称之为量子的叠加态。量子计算机正是通过量子叠加实现同时存储大量信息的功能。因此，它们可以在处理复杂任务时，快速存储大量数据，探索多种可能并选择最有效的解决途径。但是，由于保持量子比特的叠加态是件非常困难的事，最微小的环境变化(振动、电场、磁场、宇宙辐射)也可能导致叠加态的坍缩，造成计算错误。所以，目前世界上还没能造出一台没有误差、且用途广泛的量子计算机。周三，IBM研究人员宣布，他们已经设计出一种方法来管理量子计算的不可靠性，从而得出可靠、有用的答案。IBM科学家已经把研究论文发表在了《自然》杂志上，题为《容错前的量子计算实用性证据》。容错量子计算指的是有量子纠错保护的量子计算。IBM发表的论文2019年，Google的研究人员曾声称他们已经实现了“量子霸权”，也就是量子计算拥有的计算能力超越所有经典计算机。但是，IBM当时就抨击了Google，认为Google夸大了量子计算的性能，误导公众。周三，IBM的研究人员表示，他们已经找到了一些新的、更有用的方法，尽管名字更低调。“我们正在进入一个被我称之为‘实用性’的量子计算阶段，”IBM量子业务副总裁杰伊·甘贝塔(JayGambetta)说，“实用的时代。”耶路撒冷希伯来大学计算机科学教授多里特·阿哈罗诺夫(DoritAharonov)没有参与这项研究，他对此表示：“IBM在这里展示的东西，确实是朝着严肃量子算法设计取得进展的方向，迈出了重要一步，令人惊讶。”如何降低误差？在这项新研究中，IBM的研究人员执行了一项不同的任务，该任务引起了物理学家的兴趣。他们使用一个拥有127个量子比特的量子处理器来模拟127个原子尺度的磁铁棒在磁场中的行为。这些磁铁棒小到足以被量子力学的奇特规则所控制。这是一个简单的系统，被称为伊辛模型(Isingmodel)，它经常被用来研究物质的铁磁性。IBM在实验中使用的量子处理器这个问题过于复杂，即使在最大最快的超级计算机上也无法计算出精确的答案。但是在量子计算机上，计算只需不到千分之一秒就能完成。不过，每次量子计算都是不可靠的，因为量子噪声(指任何单色光都存在的涨落)的波动不可避免地会对计算进行干扰并引起误差，但每次计算都很快，因此可以重复执行。实际上，在许多计算中，研究人员故意添加了额外的噪声，使得答案更加不可靠。但通过改变噪声的数量，研究人员可以推断出噪声的具体特征以及它在每个计算步骤中的影响。“我们可以非常精确地放大噪声，然后我们可以重新运行相同的电路，”IBM量子能力和演示经理、《自然》论文的作者之一阿比纳夫·坎达拉(AbhinavKandala)表示，“一旦我们得到了这些不同噪音水平的结果，我们就可以推断出在没有噪声情况下的结果。”从本质上讲，研究人员能够从不可靠的量子计算中去除噪声的影响，这一过程被他们称之为“误差缓解”。“你必须通过发明非常巧妙的方法来减轻噪声的影响，从而绕过噪声，”阿哈罗诺夫博士说道，“这正是他们所做的。”准确性如何？为了得出127个磁铁棒产生的总体磁化强度的答案，IBM的量子计算机总共进行了60万次计算。答案的准确度怎么样？为了寻求帮助，IBM团队找到了加州大学伯克利分校的物理学家。尽管具有127个磁铁棒的伊辛模型太大，有太多可能的配置，无法适用于传统的计算机，但经典计算机算法可以产生近似的答案。这种技术类似于JPEG图像压缩时丢弃不太重要的数据以减小文件大小，同时保留图像的大部分细节。IBM量子计算研究人员加州大学伯克利分校的物理学教授、《自然》杂志论文的作者之一迈克尔·扎勒特尔(MichaelZaletel)说，当他开始与IBM合作时，他认为他的经典计算机算法会比量子算法做得更好。“结果和我预期的有点不同。”扎勒特尔博士说。结果显示，量子计算机可以对伊辛模型的某些配置精确求解。在更简单的例子上，经典算法和量子算法的答案一致。对于更复杂但可解的实例，量子算法和经典算法产生了不同的答案，但量子算法给出的是正确答案。IBM量子实验研究实验室加州大学伯克利分校的研究生萨扬特·阿南德(SajantAnand)在经典近似研究上做了大量工作，他根据上述实验结果认为，对于量子计算和经典计算的结果不一致而且不知道精确解的其他情况，“有理由相信量子计算的结果更精确”。目前还不清楚量子计算是否能够在伊辛模型中无可争议地胜过经典计算。阿南德目前正试图为经典算法增加一个降低误差的版本，它有可能达到或超过量子计算的性能。“没有明显的迹象表明他们在这里实现了量子霸权。”扎勒特尔说。临时解决方案从长远来看，量子科学家预计另外一种不同的方法，即纠错，能够检测和纠正计算错误，这将为量子计算机的许多用途打开大门。目前，纠错方法已经在传统计算机和数据传输中被用于修复错误。但对于量子计算机来说，纠错可能还需要几年的时间，需要更好的处理器来处理更多的量子比特。IBM的科学家们认为，误差缓解是一种临时解决方案，现在可以用于解决伊辛模型之外日益复杂的问题。“这是现有最简单的自然科学问题之一，”甘贝塔博士说，“所以这是一个很好的开始。但现在的问题是，你如何推广它，去解决更有趣的自然科学问题？”这些问题可能包括弄清楚异域材料的性质，加速药物发现和模拟聚变反应。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1365325.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1365325.htm