剑桥科学家在新型二维材料中实现了长期追求的量子态稳定性

剑桥科学家在新型二维材料中实现了长期追求的量子态稳定性卡文迪什实验室的研究人员在六方氮化硼（hBN）中发现了原子缺陷在环境条件下的自旋相干性，这是量子材料领域的一项罕见成就。这项发表在《自然-材料》（NatureMaterials）上的研究强调，这些自旋可以用光来控制，对未来的量子技术（包括传感和安全通信）具有广阔的前景。研究结果还强调了进一步探索提高缺陷可靠性和延长自旋存储时间的必要性，凸显了氢化硼在推进量子技术应用方面的潜力。资料来源：埃莉诺-尼科尔斯，卡文迪什实验室自旋相干性是指电子自旋能够长期保持量子信息。这一发现意义重大，因为能够在环境条件下承载量子特性的材料相当罕见。发表在《自然-材料》（NatureMaterials）上的研究结果进一步证实，室温下可获得的自旋相干性比研究人员最初想象的要长。论文共同作者、卡文迪什实验室Rubicon博士后研究员CarmemM.Gilardoni说："研究结果表明，一旦我们在这些电子的自旋上写入某种量子态，这种信息就能存储约百万分之一秒，从而使这一系统成为一个非常有前景的量子应用平台。""这看起来似乎很短，但有趣的是，这个系统并不需要特殊的条件--它甚至可以在室温下存储自旋量子态，而且不需要大型磁铁"。六方氮化硼（hBN）是一种由一原子厚的层堆叠而成的超薄材料，有点像纸张。这些层通过分子间的作用力固定在一起。但有时，这些层内会出现"原子缺陷"，类似于晶体内部夹杂着分子。这些缺陷可以通过明确的光学转变吸收和发射可见光范围内的光，还可以作为电子的局部陷阱。由于hBN中存在这些"原子缺陷"，科学家们现在可以研究这些被困电子的行为方式。他们可以研究电子与磁场相互作用的自旋特性。真正令人兴奋的是，研究人员可以在室温下利用这些缺陷中的光来控制和操纵电子自旋。这一发现为未来的技术应用，尤其是传感技术的应用铺平了道路。不过，由于这是首次有人报告该系统的自旋相干性，因此在其成熟到足以用于技术应用之前，还有很多问题需要研究。科学家们仍在研究如何使这些缺陷变得更好、更可靠。他们目前正在探究我们能在多大程度上延长自旋存储时间，以及我们能否优化对量子技术应用非常重要的系统和材料参数，如缺陷的长期稳定性和该缺陷发出的光的质量。"与这一系统的合作向我们彰显了材料基础研究的力量。至于hBN系统，作为一个领域，我们可以在其他新材料平台中利用激发态动力学，用于未来的量子技术。"论文第一作者HannahStern博士说，她在卡文迪什实验室进行了这项研究，现在是英国皇家学会大学研究员兼曼彻斯特大学讲师。未来，研究人员将进一步开发该系统，探索从量子传感器到安全通信等多个不同方向。"每一个新的有前途的系统都将拓宽可用材料的工具包，而朝着这个方向迈出的每一步都将推动量子技术的可扩展实施。这些成果证实了层状材料有望实现这些目标，"领导该项目的卡文迪什实验室主任梅特-阿塔图雷（MeteAtatüre）教授总结道。编译来源：ScitechDaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1432414.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1432414.htm

革命性的材料解决方案将量子信息存储提高到100微秒以上

革命性的材料解决方案将量子信息存储提高到100微秒以上艺术家对量子点中的电子自旋的印象，与光和强耦合的核自旋相连接资料来源：LeonZaporski-剑桥大学自旋-光子接口是量子网络的基本构件，它允许将静止的量子信息（如离子的量子状态或固态自旋量子比特）转换为光，即光子，可以在很远的距离上传播。一个主要的挑战是找到一个既能很好地存储量子信息又能有效地将其转换为光的接口。光学活性半导体量子点是迄今为止已知的最有效的自旋-光子接口，但尽管经过十年的研究努力，将它们的存储时间延长到几微秒以上，这仍使物理学家感到困惑。现在，剑桥大学、林茨大学和谢菲尔德大学的研究人员已经表明，有一种简单的材料的解决方案可以提高量子信息的存储时间超过百微秒。量子点是由成千上万的原子组成的晶体结构。这些原子的每一个核都有一个磁偶极矩，与量子点电子耦合，并可能导致存储在电子量子位上的量子信息丢失。据《自然-纳米技术》杂志报道，该研究小组的发现是，在一个用具有相同晶格参数的半导体材料构建的设备中，这些原子核"感受"到了相同的环境，并表现得很一致。因此，现在有可能过滤掉这种核噪音，并在存储时间上实现近两个数量级的改进。领导这个项目的剑桥大学卡文迪什实验室的克莱尔-勒盖尔说："这是光学活性量子点的一个全新的尺度，我们可以关闭与核的相互作用，一次又一次地重新聚焦电子自旋，以保持其量子状态。我们在工作中展示了数百个微秒，但实际上，现在我们已经进入了这个系统，知道更长的相干时间是可以实现的。对于量子点中的自旋，短的相干时间是应用的最大障碍，而这一发现为这一问题提供了一个清晰而简单的解决方案。"在首次探索百微秒时间尺度的同时，研究人员惊喜地发现，电子只看到来自原子核的噪声，而不是其它，比如说设备中的电噪声。这确实是一个很好的位置，因为核组合是一个孤立的量子系统，而相干电子将是通向大型核自旋组合中的量子现象的一个通道。另一件令研究人员惊讶的事情是，从核子中拾取的"声音"并不像最初预计的那样和谐，而且通过进一步的材料工程，该系统的量子一致性还有进一步提高的空间。"当我们开始使用这项工作中采用的晶格匹配的材料系统时，获得具有明确属性和良好光学质量的量子点并不容易。"--林茨大学这篇论文的共同作者ArmandoRastelli说。"看到最初由好奇心驱动的关于一个相当"奇特"的系统的研究路线和熟练的团队成员SantanuManna和SaimonCovredaSilva的坚持不懈带来了这些壮观结果的基础设备，这是非常有益的。现在我们知道了我们的纳米结构有什么用处，而且我们对与我们的合作者一起进一步设计其特性的前景感到兴奋。""这项研究最令人兴奋的事情之一是驯服一个复杂的量子系统：十万个核与一个控制良好的电子自旋强烈耦合，"卡文迪什大学博士生LeonZaporski--该论文的第一作者解释说。"大多数研究人员通过消除所有的相互作用来解决将量子比特与噪声隔离的问题。他们的量子比特变得有点像镇静的薛定谔的猫，对任何人拉他们的尾巴都几乎没有反应。而我们的'猫'服用了强烈的刺激剂，这意味着我们观察它时有更多的乐趣。""量子点现在结合了高光子量子效率和长自旋相干时间"，本论文的共同作者MeteAtatüre教授解释说。"在不久的将来，我们设想这些设备能够为全光子量子计算创造纠缠光态，并允许对核自旋集合进行基础性的量子控制实验。"...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1351545.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1351545.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

超密集量子计算机破局者：1 个锑原子存储 16 个量子态

超密集量子计算机破局者：1个锑原子存储16个量子态通常情况下，1个量子位（qubits）对应1个量子态（quantumstate）。悉尼新南威尔士大学（UNSW）的研究人员证明，锑（Sb）原子可以同时拥有16种量子态。锑原子本身有8个量子态，此外其电子还能额外提供2个量子态，而通过叠加锑原子和锑电子，就能产生总共16种量子态，这就像未来的3DNAND，每个单元可以写入16位数据。https://www.ithome.com/0/751/251.htm

科学家用一种简单方法将量子计算精度提高了20倍

科学家用一种简单方法将量子计算精度提高了20倍"在这里，我们使用了一个更现代的'恶魔'-一个快速的数字电压表来观察从一个温暖的电子池中随机抽取的电子的温度。在这样做的时候，我们使它比它来自的池子冷得多，这相当于它处于'0'计算状态的高度确定性，"领导该团队的新南威尔士大学的AndreaMorello教授说。"量子计算机只有在能够以极低的错误概率达到最终结果时才有用。而人们可以拥有近乎完美的量子操作，但如果计算从错误的代码开始，最终的结果也会是错误的。我们的数字'麦克斯韦的恶魔'给我们带来了20倍的改进，我们可以准确地设置计算的开始。"这项研究发表在《物理评论X》上，这是美国物理学会出版的一本杂志。观察电子以使其更冷莫雷洛教授的团队已经率先使用硅中的电子自旋来编码和操纵量子信息，并展示了创纪录的高保真度，即非常低的错误概率，在执行量子操作中。用电子进行高效量子计算的最后一个障碍是将电子准备在一个已知的状态作为计算的起点的保真度。"准备电子的量子状态的正常方法是到极低的温度，接近绝对零度，并希望电子都放松到低能量的'0'状态，"该论文的主要实验作者马克-约翰逊博士解释说。"不幸的是，即使使用最强大的制冷设备，我们仍然有20%的机会错误地将电子准备在'1'状态。那是不能接受的，我们必须做得更好。"新南威尔士大学电气工程系毕业生约翰逊博士决定使用一个非常快速的数字测量仪器来"观察"电子的状态，并使用仪器内的实时决策处理器来决定是否保留该电子并将其用于进一步计算。这个过程的效果是将错误的概率从20%降低到1%。一个老想法的新转折莫雷洛教授说："当我们开始写出我们的结果并思考如何最好地解释它们时，我们意识到我们所做的是对'麦克斯韦的恶魔'这一古老想法的现代转折。""麦克斯韦恶魔"的概念可以追溯到1867年，当时詹姆斯-克拉克-麦克斯韦想象出一种生物有能力知道气体中每个分子的速度。他将采取一个装满气体的盒子，中间有一堵分隔墙，还有一扇可以快速打开和关闭的门。凭借他对每个分子速度的了解，恶魔可以打开门，让缓慢（冷）的分子堆积在一边，而快速（热）的分子堆积在另一边。"这个恶魔是一个思想实验，用来辩论违反热力学第二定律的可能性，但当然，从来没有这样的恶魔存在，"莫雷洛教授说。"现在，利用快速数字电子技术，我们在某种意义上创造了一个。我们给他的任务是监视一个电子，并确保它尽可能地冷。在这里，'冷'直接转化为它处于我们想要建立和操作的量子计算机的'0'状态。"这一结果的影响对量子计算机的可行性非常重要。这样的机器可以被建造，具有容忍一些错误的能力，但前提是这些错误足够罕见。容忍错误的典型门槛是1%左右。这适用于所有错误，包括准备、操作和最终结果的读出。这个电子版的"麦克斯韦恶魔"使新南威尔士大学的团队能够将准备工作的误差减少20倍，从20%减少到1%。约翰逊博士说："仅仅通过使用现代电子仪器，在量子硬件层没有额外的复杂性，我们已经能够在足够好的精度内准备我们的电子量子比特，以允许进行可靠的后续计算，这对于量子计算的未来是一个重要的结果。而且相当奇特的是，它也代表了150年前的一个想法的体现！"...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1340215.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1340215.htm

突破性合成方法提高了太阳能电池的稳定性

突破性合成方法提高了太阳能电池的稳定性莱斯大学工程师与合作者开发的一种工艺通过对结晶过程的动态控制，产生了具有理想厚度和纯度的二维卤化物包晶晶体层--这是确保光电子和光伏设备稳定性的关键一步。图片来源：JeffFitlow摄影/莱斯大学莱斯大学化学和生物分子工程师阿迪提亚-莫希特（AdityaMohite）与西北大学、宾夕法尼亚大学和雷恩大学的合作者共同开发了一种工艺，通过控制结晶过程的温度和持续时间，可以获得厚度和纯度都非常理想的二维光致发光半导体层。李文斌是莱斯大学的研究生，也是发表在《自然-合成》上的一项研究的合著者。图片来源：JeffFitlow摄影/莱斯大学这一过程被称为动力学控制空间约束，它有助于提高基于卤化物包晶的新兴技术（如光电子和光伏）的稳定性并降低其成本。克服合成瓶颈莱斯大学乔治-R-布朗工程学院的博士生侯瑾（音译）说："生产层厚（或量子阱厚度，也称为'n值'）大于2的二维包晶是一个主要瓶颈，"他是发表在《自然-合成》（NatureSynthesis）上有关该工艺研究的第一作者。n值大于4意味着材料具有更窄的带隙和更高的导电性--这是应用于电子设备的关键因素。原子或分子在形成晶体时，会排列成高度有序的规则晶格。例如，冰就有18种可能的原子排列或相。与冰中的氢原子和氧原子一样，构成卤化物包晶的粒子也可以形成多种晶格排列。由于材料特性与相有关，科学家们的目标是合成自始至终只表现出一种相的二维卤化物包晶层。但问题在于，高n值二维包晶的传统合成方法会导致晶体生长不均匀，从而影响材料的性能可靠性。AdityaMohite是化学与生物分子工程系副教授，同时也是莱斯能源转型与可持续发展工程计划（REINVENTS）的系主任。图片来源：AdityaMohite/莱斯大学提供侯说："在传统的二维包晶合成方法中，由于缺乏对结晶动力学的控制，你会得到具有混合相的晶体，而结晶动力学基本上就是温度和时间之间的动态相互作用。我们设计了一种方法来减慢结晶速度，并逐步调整每个动力学参数，以达到纯相合成的最佳状态。"除了设计出一种能够实现二维卤化物包晶石n值逐渐增加的合成方法外，研究人员还通过表征、光学光谱学和机器学习绘制了该过程的图谱（或相图）。侯瑾是莱斯大学的研究生，也是发表在《自然-合成》（NatureSynthesis）上的一项研究的第一作者。这项工作推动了高量子阱二维包覆晶石合成的发展，使其成为多种应用的可行且稳定的选择。化学与生物分子工程和材料科学与纳米工程副教授莫希特说："我们开发了一种提高晶体纯度的新方法，解决了该领域一个长期存在的问题，即如何接近高n值、相纯的晶体合成。莫希特的实验室开创了提高卤化物包晶半导体质量和性能的各种方法，从结晶初始阶段的校准到溶剂设计的微调。"这一研究突破对于合成二维包晶至关重要，二维包晶是实现太阳能电池商业相关稳定性、许多其他光电设备应用和基本光-物质相互作用的关键。编译自：ScitechDaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1403247.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1403247.htm