纠缠增强传感技术为先进量子传感器的研发和进步打下了基础

纠缠增强传感技术为先进量子传感器的研发和进步打下了基础因斯布鲁克物理学家将链中的所有粒子相互纠缠，产生了所谓的挤压量子态。资料来源：StevenBurrows和雷伊小组/JILA现在，由克里斯蒂安-罗斯（ChristianRoos）领导的因斯布鲁克大学和奥地利科学院量子光学与量子信息研究所（IQOQI）的科学家们展示了如何利用产生纠缠的特殊方法来进一步提高光学原子钟功能不可或缺的测量精度。"量子系统的观测总是受到一定统计不确定性的影响。"ChristianRoos团队的JohannesFranke解释说："这是量子世界的本质决定的。"纠缠可以帮助我们减少这些误差"。在美国博尔德JILA理论家安娜-玛丽亚-雷伊的支持下，因斯布鲁克的物理学家们在实验室里对纠缠粒子集合的测量精度进行了测试。研究人员使用激光来调节排列在真空室中的离子之间的相互作用，并将它们纠缠在一起。"相邻粒子之间的相互作用会随着粒子间距离的增加而减弱。因此，我们利用自旋交换相互作用，让系统表现得更有集体性，"因斯布鲁克大学理论物理系的拉斐尔-考布吕格尔解释说。因此，链中的所有粒子都相互纠缠，产生了所谓的挤压量子态。物理学家以此证明，通过将51个离子与单个粒子纠缠在一起，测量误差大约可以减半。在此之前，纠缠增强传感主要依赖于无限的相互作用，这就限制了它只适用于某些量子平台。"因斯布鲁克量子物理学家通过实验证明，量子纠缠使传感器更加灵敏。"克里斯蒂安-罗斯说："我们在实验中使用了一种光学转变，原子钟也采用了这种转变。这项技术可以改善目前使用原子钟的领域，如卫星导航或数据传输。此外，这些先进的时钟还能为寻找暗物质或确定基本常数的时间变化等研究提供新的可能性。"克里斯蒂安-罗斯和他的团队现在希望在二维离子群中测试这种新方法。目前的研究成果发表在《自然》（Nature）杂志上。在同一期杂志上，研究人员利用中性原子发表了非常相似的结果。在因斯布鲁克进行的研究得到了奥地利科学基金FWF和奥地利蒂罗尔工业联合会等机构的资助。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1380631.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1380631.htm

中微子-光子相互作用：科学家揭开粒子物理学的神秘面纱

中微子-光子相互作用：科学家揭开粒子物理学的神秘面纱石川说："我们的研究成果对于理解一些最基本的物质粒子的量子力学相互作用非常重要。它们还可能有助于揭示太阳和其他恒星中目前鲜为人知的现象的细节"。中微子是最神秘的基本物质粒子之一。由于中微子几乎不与其他粒子发生任何相互作用，因此极难对其进行研究。它们呈电中性，几乎没有质量。然而，它们的数量却非常丰富，大量的中微子不断从太阳中流出，穿过地球，甚至穿过我们自己，却几乎没有任何影响。了解更多有关中微子的信息，对于检验和完善我们目前对粒子物理学（即标准模型）的理解非常重要。日全食，日冕清晰可见。"在正常的'经典'条件下，中微子不会与光子发生相互作用，"石川解释说，"然而，我们已经揭示了中微子和光子如何能够在极大规模的均匀磁场中发生相互作用--大到103千米--这种磁场出现在恒星周围被称为等离子体的物质形态中。等离子体是一种电离气体，这意味着它的所有原子都获得了或多或少的电子，使它们成为带负电或正电的离子，而不是地球上日常条件下可能出现的中性原子。"弱电霍尔效应及其影响研究人员所描述的相互作用涉及到一种名为"电弱霍尔效应"的理论现象。这是电与磁在极端条件下的相互作用，自然界的两种基本力--电磁力和弱作用力--在此融合为弱电。这是一个理论概念，预计只适用于早期宇宙的极高能条件或粒子加速器的碰撞中。研究得出了这种意想不到的中微子-光子相互作用的数学描述，即拉格朗日。它描述了有关该系统能量状态的所有已知信息。石川健三，该研究的第一作者和通讯作者。图片来源：SohailKeeganPinto石川说："除了有助于我们理解基础物理学之外，我们的研究还可能有助于解释日冕加热之谜。这是一个由来已久的谜团，它涉及太阳最外层大气--日冕--的温度远高于太阳表面温度的机制。我们的工作表明，中微子和光子之间的相互作用释放出能量，使日冕升温"。石川在总结发言中表达了他们团队的愿望："我们现在希望继续我们的工作，寻找更深入的见解，特别是在这些极端条件下中微子和光子之间的能量转移"。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1383901.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1383901.htm

科学家开发出新型纳米材料 带来控制火灾的新方法

科学家开发出新型纳米材料带来控制火灾的新方法高温火焰对于生产多种材料至关重要。然而，控制火焰及其与目标材料的相互作用是一项挑战。科学家们现在已经开发出一种方法，利用分子薄保护层来控制火焰的热量与材料的相互作用--驯服火焰，让用户能够精细调整加工材料的特性。PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1377999.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1377999.htm

物理学家成功模拟相互作用量子粒子系统中的超级扩散

物理学家成功模拟相互作用量子粒子系统中的超级扩散这项工作是TCD-IBM博士前奖学金项目的首批成果之一，该项目是最近设立的，IBM在三一学院联合指导博士生的同时，还聘用博士生作为员工。该论文最近发表在著名的《自然》杂志《NPJ量子信息》上。IBM是令人兴奋的量子计算领域的全球领导者。这项研究中使用的早期量子计算机由27个超导量子比特组成（量子比特是量子逻辑的构件），物理上位于IBM位于纽约约克城高地的实验室内，并在都柏林进行远程编程。量子计算是目前最令人兴奋的技术之一，预计在未来十年内将逐渐接近商业应用。除了商业应用，量子计算机还能帮助解决一些令人着迷的基本问题。都柏林圣三一大学和IBM的团队就解决了这样一个有关量子模拟的问题。新成立的圣三一量子联盟（TrinityQuantumAlliance）主任约翰-戈尔德（JohnGoold）教授是这项研究的负责人，他在解释这项工作的意义和量子模拟的总体理念时说"一般来说，模拟由许多相互作用的成分组成的复杂量子系统的动力学问题，对传统计算机来说是一项艰巨的挑战。考虑到这一特定设备上的27个量子位。在量子力学中，这样一个系统的状态是由一个称为波函数的对象来进行数学描述的。要使用标准计算机来描述这个对象，就需要在内存中存储大量的系数，而这些系数的需求是随着量子比特数量的增加而呈指数级增长的；在这个模拟案例中，大约需要1.34亿个系数。""当系统增长到300个比特时，要描述这样一个系统，所需的系数将超过可观测宇宙中的原子数量，而任何经典计算机都无法精确捕捉系统的状态。换句话说，我们在模拟量子系统时会碰壁。使用量子系统模拟量子动力学的想法可以追溯到美国诺贝尔物理学奖得主理查德-费曼，他提出量子系统最好使用量子系统模拟。原因很简单--你自然会利用量子计算机是由波函数描述的这一事实，从而规避了存储状态所需的指数级经典资源"。那么，研究小组究竟模拟了什么呢？Goold教授继续介绍说："一些最简单的非三维量子系统是自旋链。这些系统由被称为自旋的小磁体连接而成，模仿更复杂的材料，用于理解磁性。我们对一种叫做海森堡链的模型很感兴趣，尤其对自旋激发如何在整个系统中传输的长时间行为感兴趣。在这种长时限制下，量子多体系统进入流体力学体系，传输由描述经典流体的方程来描述。""我们对一种特殊的机制很感兴趣，在这种机制中，由于基础物理学受卡尔达-帕里斯-张方程（Kardar-Parisi-Zhangequation）的支配，会出现一种叫做超扩散的现象。该方程通常描述表面或界面的随机增长，如暴风雪中雪的高度如何增长，咖啡杯在布上的污渍如何随时间增长，或绒毛火如何增长。这种传播被称为超扩散传输。这种传输会随着系统规模的增大而变得越来越快。令人惊奇的是，量子动力学中也出现了支配这些现象的方程，我们能够利用量子计算机来验证这一点。这是这项工作的主要成就。"IBM-Trinity博士前期学者内森-基南（NathanKeenan）是该项目的编程人员，他向我们讲述了量子计算机编程所面临的一些挑战。他说："量子计算机编程的最大问题是在存在噪声的情况下进行有用的计算。在芯片级执行的运算并不完美，而且计算机对来自实验室环境的干扰非常敏感。因此，总是希望尽量缩短有用程序的运行时间，因为这将缩短这些错误和干扰发生并影响结果的时间。"IBM英国和爱尔兰研究院院长胡安-贝尔纳贝-莫雷诺（JuanBernabé-Moreno）说："IBM在推动量子计算技术方面有着悠久的历史，不仅带来了数十年的研究成果，还提供了最大、最广泛的商业量子计划和生态系统。我们与都柏林圣三一学院通过量子科学与技术硕士和博士项目开展的合作就体现了这一点，我很高兴这项合作已经取得了可喜的成果。"随着世界进入量子模拟的新时代，令人欣慰的是，都柏林圣三一学院的量子物理学家站在最前沿--为未来的设备编程。量子模拟是由约翰-古尔德（JohnGoold）教授创立并领导的新成立的三位一体量子联盟的核心研究支柱，该联盟拥有五家创始工业合作伙伴，包括IBM、微软、Algorithmiq、Horizon和MoodysAnalytics。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1388299.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1388299.htm

操控"量子光"的空前突破 让光子与人造原子相互作用

操控"量子光"的空前突破让光子与人造原子相互作用艺术家对光子与人造原子相互作用后如何结合的印象。资料来源：巴塞尔大学爱因斯坦在1916年提出的刺激性光发射被广泛观察到，用于大量的光子，并为激光的发明奠定了基础。通过这项研究，现在已经观察到了单光子的刺激发射。具体来说，科学家们可以测量一个光子和一对绑定的光子从一个量子点（一种人工创造的原子）散射出来的直接时间延迟。悉尼大学物理学院的SahandMahmoodian博士和这项研究的共同主要作者说："这为操纵我们可以称之为'量子光'打开了大门。这一基础科学为量子增强测量技术和光子量子计算的进步开辟了道路。"来自悉尼大学物理学院的联合主要作者SahandMahmoodian博士。资料来源：悉尼大学一个多世纪前，通过观察光与物质的相互作用，科学家们发现光不是一束粒子，也不是能量的波型--而是同时表现出这两种特性，即所谓的波粒二象性。光与物质相互作用的方式继续让科学家和人类的想象力着迷，既因为其理论上的美丽，也因为其强大的实际应用。无论是光如何穿越星际介质的广阔空间，还是激光的发展，对光的研究都是一门具有重要实际用途的科学。没有这些理论基础，几乎所有的现代技术都是不可能的。没有移动电话，没有全球通信网络，没有计算机，没有GPS，没有现代医学成像。联合第一作者巴塞尔大学纳米光子学小组的娜塔莎-托姆博士。在通信中使用光--通过光导纤维--的一个优势是，光能包，即光子不容易相互影响，这创造了近乎无失真的光速信息传输。然而，我们有时希望光能够相互作用。在这里，事情变得很棘手。例如，光被用来测量距离的微小变化，使用的仪器称为干涉仪。这些测量工具现在很普遍，无论是在先进的医学成像中，还是在对牛奶进行质量控制等重要但也许更平凡的任务中，或是以LIGO等精密仪器的形式，它在2015年首次测量了引力波。量子力学定律对此类设备的灵敏度设定了限制。这个限制是在测量的敏感程度和测量设备中的平均光子数量之间设定的。对于经典激光，这与量子光不同。联合主要作者、巴塞尔大学的娜塔莎-托姆博士说。"我们建造的设备在光子之间诱发了如此强烈的相互作用，我们能够观察到一个光子与之相互作用与两个光子之间的差异。"我们观察到，与两个光子相比，一个光子被延迟了更长的时间。有了这种真正强大的光子-光子互动，两个光子以所谓的双光子束缚状态的形式变得纠缠在一起。"像这样的量子光有一个优势，即原则上它可以用更少的光子进行更敏感的测量，具有更好的分辨率。这对于生物显微镜的应用非常重要，因为大的光强度可能会损坏样品，而且要观察的特征特别小。Mahmoodian博士说："通过证明我们可以识别和操纵光子结合状态，我们已经向利用量子光的实际用途迈出了重要的第一步。我研究的下一步是看这种方法如何被用来产生对容错量子计算有用的光态，这是由数百万美元的公司，如PsiQuantum和Xanadu追求的。"Tomm博士说："这个实验是令人惊艳的，不仅因为它验证了一个基本的效应--刺激发射--的终极极限，而且它还代表了向先进应用迈出的巨大技术一步。我们可以应用同样的原理来开发更有效的设备，给我们提供光子束缚状态。这对广泛领域的应用是非常有希望的：从生物学到先进的制造业和量子信息处理。"...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1350677.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1350677.htm

时空涟漪 - 科学家揭开引力波之间相互作用的秘密

时空涟漪-科学家揭开引力波之间相互作用的秘密当两个黑洞相撞时，其冲击力是如此之大，以至于我们在地球上都能探测到。这些天体是如此巨大，以至于它们的碰撞会在时空本身产生涟漪。科学家称这些涟漪为引力波。虽然爱因斯坦早在1916年就预言了引力波的概念，但物理学家直到2015年才在LIGO（激光干涉引力波天文台）上直接探测到引力波。现在，在能源部科学办公室和其他几个联邦机构的支持下，科学家们正在努力更好地理解这些引力波，以及它们能告诉我们有关黑洞的信息。除了威力巨大之外，这些碰撞还具有令人难以置信的复杂物理特性。为了准确，对它们的计算机模拟也必须非常复杂。模拟需要包括碰撞过程中的每一个步骤：黑洞相互螺旋上升、合并、变成一个扭曲的黑洞，然后沉降为一个单一的黑洞。这个过程非常复杂，科学家需要超级计算机来运行模拟。这张照片来自"模拟极端时空"（SimulatingeXtremeSpacetimes，简称SXS）合作项目利用超级计算机进行的模拟，照片中两个黑洞即将合并。当黑洞旋转在一起时，它们会在空间和时间上产生被称为引力波的涟漪。图片来源：SXSLensing/SimulatingeXtremeSpacetimesCollaboration然后，物理学家将这些模拟的数值数据与这一过程的模型进行比较。旧版本的模型显示引力波不会相互影响或相互作用。然而，科学家们怀疑这并不准确。试想一下，两个人相邻站在一个水池里制造引力波。如果每个人发出的波都非常小，那么这些波就有可能互不干扰。它们在相互影响之前就会消失。但是，如果两个人都在制造大波浪，波浪就会相互碰撞，产生新的波浪。科学家们知道碰撞会产生强烈的引力波，因此认为它们会相互影响--只是没有显示出来而已。来自加州理工学院（Caltech）、哥伦比亚大学、密西西比大学、康奈尔大学和马克斯-普朗克引力物理研究所的一个研究小组对这些数值输出进行了新的、更详细的分析。分析结果表明，引力波之间存在相互作用。每个波都会导致其他波发生轻微变化。相互作用产生了具有各自独立频率的新型波。这些新的波比原来的波更小、更混乱、更不可预测。通过在模型中加入这一特征，科学家们可以更准确地描述数值输出告诉他们的信息。LIGO利文斯顿实验室。资料来源：LIGO实验室在黑洞碰撞模型中加入这些相互作用将使模型更加精确。反过来，这些模型将帮助我们更好地解释真实世界的观测结果。模型越精确，对解读来自LIGO的数据就越有用。此外，更好的模型还能帮助科学家弄清广义相对论是否是解释黑洞实际情况的正确理论。虽然广义相对论--爱因斯坦提出的著名理论广泛地解释了引力如何影响时空，但这一理论在多大程度上适用于黑洞的奇特性质仍有待确定。黑洞碰撞距离地球和我们的日常生活遥远得难以想象。虽然我们无法亲身感受到引力波，但科学家们获得的数据和建立的模型每天都在扩展我们对这些不可思议现象的认识。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1389973.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1389973.htm