研究人员利用电子和空穴自旋实现了精确的量子比特控制和相互作用

研究人员利用电子和空穴自旋实现了精确的量子比特控制和相互作用巴塞尔大学在量子比特技术方面取得的进展为可扩展量子计算带来了希望，它利用电子和空穴自旋实现了精确的量子比特控制和相互作用。全世界的研究人员都在探索各种量子比特技术，对实用量子计算机的追求正如火如荼地进行着。尽管做出了大量努力，但对于哪种类型的量子比特最能最大限度地发挥量子信息科学的潜力，人们仍未达成共识。量子比特是量子计算机的基础。它们负责处理、传输和存储数据。有效的量子位必须可靠地存储和快速处理信息。这就要求外部系统能够准确控制大量量子比特之间稳定、迅速的相互作用。当今最先进的量子计算机只有几百个量子比特。这就限制了它们执行传统计算机已经能够完成的计算，而且往往能更高效地完成。要想推动量子计算的发展，研究人员必须找到一种在单个芯片上容纳数百万量子比特的方法。电子和空穴为了解决数千个量子比特的排列和连接问题，巴塞尔大学和NCCRSPIN的研究人员依靠一种利用电子或空穴自旋（固有角动量）的量子比特。空穴本质上是半导体中缺失的电子。空穴和电子都具有自旋，可采用两种状态之一：向上或向下，类似于经典比特中的0和1。与电子自旋相比，空穴自旋的优势在于它可以完全由电子控制，无需在芯片上安装微型磁铁等额外元件。两个相互作用的空穴自旋量子比特。当一个空穴（洋红色/黄色）从一个位点隧穿到另一个位点时，它的自旋（箭头）会因所谓的自旋轨道耦合而旋转，从而导致周围气泡所描述的各向异性相互作用。资料来源：NCCRSPIN2022年，巴塞尔物理学家证明，现有电子设备中的空穴自旋可以被捕获并用作量子比特。这些"FinFET"（鳍式场效应晶体管）内置于现代智能手机中，并通过广泛的工业流程生产出来。现在，安德烈亚斯-库尔曼（AndreasKuhlmann）博士领导的团队首次成功地在这种装置中实现了两个量子比特之间可控的相互作用。量子计算机需要"量子门"来执行计算。量子门"代表着操纵量子比特并将它们相互耦合的操作。研究人员在《自然-物理》杂志上报告说，他们能够将两个量子比特耦合起来，并根据其中一个量子比特的自旋状态，使另一个量子比特的自旋发生受控翻转--这就是所谓的受控自旋翻转。"孔自旋使我们能够创建既快速又高保真的双量子比特门。"库尔曼说："现在，这一原理还使我们有可能将更多的量子位对耦合在一起。"两个自旋量子比特的耦合基于它们之间的交换相互作用，这种相互作用发生在两个静电相互作用的无差别粒子之间。令人惊奇的是，空穴的交换能不仅在电学上是可控的，而且具有很强的各向异性。这是自旋轨道耦合的结果，意味着空穴的自旋状态受其空间运动的影响。为了在模型中描述这一观察结果，巴塞尔大学和NCCRSPIN的实验物理学家和理论物理学家联手合作。库尔曼说："各向异性使得双量子比特门成为可能，而无需在速度和保真度之间进行通常的权衡。基于空穴自旋的量子比特不仅可以利用硅芯片久经考验的制造工艺，还具有高度的可扩展性，并在实验中被证明是快速和稳健的。这项研究强调，这种方法在开发大规模量子计算机的竞赛中大有可为。"编译来源：ScitechDaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1432321.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1432321.htm

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/MauricioBejarano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》（ScienceAdvances）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（MauricioBejarano）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：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1424810.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1424810.htm

MIT工程师发现控制原子核为 "量子比特"的新方法

MIT工程师发现控制原子核为"量子比特"的新方法今天最大的量子计算机只配备了几百个"量子比特"，即数字比特的量子等价物。图中说明了两束波长稍有不同的激光束可以影响原子核周围的电场，以一种推动该电场的方式，将原子核的自旋推向一个特定的方向，如箭头所示。现在，麻省理工学院的研究人员提出了一种新的方法来制造量子比特并控制它们读写数据。这种方法在现阶段是理论性的，它基于测量和控制原子核的自旋，使用来自两个颜色略有不同的激光器的光束。麻省理工学院博士生HaoweiXu、教授JuLi和PaolaCappellaro以及其他四人在《物理评论X》杂志上发表的一篇论文中描述了这些发现。长期以来，核自旋被认为是基于量子的信息处理和通信系统的潜在构件，而光子也是如此，它是电磁辐射的不连续包，或"量子"的基本粒子。但是哄骗这两个量子物体一起工作是很困难的，因为原子核和光子几乎没有互动，而且它们的自然频率相差六到九个数量级。在麻省理工学院团队开发的新工艺中，进入的激光束的频率差异与核自旋的过渡频率相匹配，促使核自旋以某种方式翻转。核科学与工程系教授卡佩拉罗说："我们已经找到了一种新的、强大的方法，将核自旋与来自激光的光子对接起来。这种新的耦合机制使它们的控制和测量成为可能，这使得使用核自旋作为量子比特成为更有前途的努力。"研究人员说，这个过程是完全可调整的。例如，其中一个激光器可以被调谐到与现有电信系统的频率相匹配，从而将核自旋变成量子中继器，实现长距离的量子通信。以前尝试用光来影响核自旋是间接的，而是耦合到该核周围的电子自旋，这反过来又会通过磁相互作用影响核。但这需要附近存在未配对的电子自旋，并导致核自旋的额外噪音。对于新方法，研究人员利用了许多核具有电四极的事实，这导致了与环境的电核四极互动。这种相互作用可以受到光的影响，以改变核本身的状态。"核自旋通常是相当弱的相互作用，"李说。"但是通过利用一些核具有电四极的事实，我们可以诱发这种二阶的非线性光学效应，直接耦合到核自旋，而没有任何中间的电子自旋。这使我们能够直接操纵核自旋"。除其他事项外，这可以允许精确识别甚至绘制材料的同位素，而拉曼光谱，一种基于类似物理学的成熟方法，可以识别材料的化学和结构，但不能识别同位素。研究人员说，这种能力可能有许多应用。至于量子存储器，目前正在使用或考虑用于量子计算的典型设备的相干时间--意味着存储的信息可以可靠地保持完整的时间--往往是以一秒钟的小数点来衡量。但在核自旋系统中，量子相干时间是以小时来衡量的。该团队说，由于光学光子被用于通过光纤网络进行长距离通信，因此将这些光子直接耦合到量子存储器或传感设备的能力可以为新的通信系统提供巨大的好处。此外，这种效应可以被用来提供一种将一组波长转换为另一组波长的有效方法。徐说："我们正在考虑使用核自旋进行微波光子和光学光子的转换，"他补充说，这可以为这种转换提供比其他方法更大的保真度。到目前为止，这项工作是理论上的，所以下一步是在实际的实验室设备中实现这一概念，可能首先是在一个光谱系统中。徐说："这可能是原则性验证实验的一个很好的候选者。他说，在此之后，他们将解决量子设备，如存储器或转导效应。"...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1349317.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1349317.htm

量子突破：科学家开发出操纵奇异材料的新方法

量子突破：科学家开发出操纵奇异材料的新方法上图展示了一种控制材料中量子态的新方法。电场诱导铁电基底发生极化转换，从而产生不同的磁性和拓扑状态。图片来源：MinaYoon、FernandoReboredo、JacquelynDeMink/ORNL、美国能源部拓扑材料发现于20世纪80年代，是一种新的材料阶段，其发现者于2016年获得诺贝尔奖。仅利用电场，ORNL的研究人员就能将普通绝缘体转化为磁性拓扑绝缘体。这种奇特的材料允许电流流过其表面和边缘，而没有能量耗散。电场会引起物质状态的改变。领导这项研究的ORNL的MinaYoon说："这项研究可以带来许多实际应用，如下一代电子学、自旋电子学和量子计算。"这些物质可能会带来高速、低功耗的电子产品，与目前的硅基电子产品相比，它们能耗更低、运行更快。ORNL的科学家们在《二维材料》（2DMaterials）上发表了他们的研究成果。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1383317.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1383317.htm

二维材料中首次实现核自旋量子位控制

二维材料中首次实现核自旋量子位控制据15日发表在《自然·材料》上的论文，美国普渡大学的研究人员通过使用光子和电子自旋量子位来控制二维（2D）材料中的核自旋，实现了在2D材料中写入和读取带有核自旋的量子信息。他们用电子自旋量子位作为原子尺度的传感器，首次在超薄六方氮化硼中实现了对核自旋量子位的实验控制。该研究工作拓展了量子科学和技术的前沿，使原子尺度的核磁共振光谱等应用成为可能。研究人员表示，这是第一个展示2D材料中核自旋的光学初始化和相干控制的工作。自旋量子位可以被用作传感器，例如探测蛋白质结构，或者以纳米级分辨率探测目标的温度。捕获在3D金刚石晶体缺陷中的电子能产生10—100纳米范围的成像和传感分辨率，而嵌入在单层或2D材料中的量子位可更接近目标样本，提供更高的分辨率和更强的信号。为实现这一目标，2019年，六方氮化硼中的第一个电子自旋量子位诞生。此次，研究团队在超薄六方氮化硼中建立了光子和核自旋之间的界面。核自旋可以通过周围的电子自旋量子位进行光学初始化——设置为已知的自旋。一旦被初始化，就可以用无线电频率来改变核自旋量子位，本质上是“写入”信息，或者测量核自旋量子位的变化，即“读取”信息。他们的方法一次利用3个氮原子核，其相干时间是室温下的电子量子位的30多倍。2D材料可以直接层叠在另一种材料上，从而形成一个内置的传感器。研究人员表示，2D核自旋晶格适用于大规模的量子模拟。它可在较高的温度下工作。为控制核自旋量子位，研究人员首先从晶格中移除一个硼原子，并用一个电子取代它。电子位于3个氮原子的中心。每个氮核都处于随机自旋态，可以是-1、0或+1。研究人员用激光将电子泵浦到自旋态为0，这对氮核的自旋影响可忽略不计。最后，受激电子与周围的3个氮核之间的超精细相互作用迫使原子核的自旋发生变化。当循环重复多次时，原子核的自旋达到+1状态，无论重复相互作用如何，它都保持不变。当所有3个原子核都设置为+1状态时，它们就可用作3个量子位。PC版：https://www.cnbeta.com/articles/soft/1304905.htm手机版：https://m.cnbeta.com/view/1304905.htm

研究人员实现“kagome”量子材料中电子自旋的首次测量

研究人员实现“kagome”量子材料中电子自旋的首次测量科学家的国际合作取得了成功，物理和天文学系“AugustoRighi”教授DomenicoDiSante参与了博洛尼亚大学的居里夫人BITMAP研究项目。CNR-IOMTrieste、Ca'Foscari威尼斯大学、米兰大学、维尔茨堡大学（德国）、圣安德鲁斯大学（英国）、波士顿学院和加州大学圣巴巴拉分校（美国）的同事也加入了他的行列).通过先进的实验技术，利用粒子加速器同步加速器产生的光，以及对物质行为进行建模的现代技术，学者们首次能够测量与拓扑概念相关的电子自旋。电子在其上移动的表面的三个视角。左边是实验结果，中间是理论模型，右边是理论模型。红色和蓝色代表电子速度的量度。理论和实验都反映了晶体的对称性，与日本传统“kagome”篮子的质地非常相似。图片来源：博洛尼亚大学“如果我们拿两个物体，例如足球和甜甜圈，我们会注意到它们的特定形状决定了不同的拓扑特性，例如，因为甜甜圈有洞，而足球没有，”DomenicoDiSante解释道。“同样，电子在材料中的行为受到某些量子特性的影响，这些量子特性决定了它们在其中发现的物质中的旋转，类似于宇宙中光的轨迹如何被恒星、黑洞、黑暗的存在所改变物质和暗能量，它们可以弯曲时间和空间。”尽管电子的这一特性早已为人所知多年，但直到现在还没有人能够直接测量这种“拓扑自旋”。为实现这一目标，研究人员利用了一种称为“圆二色性”的特殊效应：一种只能与同步加速器源一起使用的特殊实验技术，它利用材料根据其偏振吸收不同光的能力。学者们特别关注“kagome材料”，这是一类量子材料，因其类似于构成日本传统篮子的交织竹线编织（实际上称为“kagome”）而得名。这些材料正在彻底改变量子物理学，所获得的结果可以帮助我们更多地了解它们特殊的磁性、拓扑和超导特性。“由于实验实践和理论分析之间的强大协同作用，这些重要结果成为可能，”DiSante补充道。“该团队的理论研究人员采用了复杂的量子模拟，只有使用强大的超级计算机才有可能，并以这种方式将他们的实验同事引导到可以测量圆二色性效应的材料的特定区域。”...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1366003.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1366003.htm