量子回声：以声波存储信息的革命性方法

量子回声：以声波存储信息的革命性方法加利福尼亚理工学院（Caltech）电子工程与应用物理学助理教授穆罕默德-米尔霍塞尼（MohammadMirhosseini）在最近发表在《自然-物理》（NaturePhysics）杂志上的一篇论文中，展示了他的实验室开发的一种新方法，可以有效地将电量子态转化为声音，反之亦然。这种转换可以存储未来量子计算机所准备的量子信息，而未来的量子计算机很可能是由电路制成的。MohammadMirhosseini和他的团队推出了一种创新方法，通过将电量子态转化为声音来存储量子信息。这种新技术利用声子，避免了以往方法的能量损失。它可以延长存储时间，是量子计算领域的一大进步。图片来源：MaayanIllustration这种方法利用的是所谓的声子，相当于光子这种光粒子的声音。(在量子力学中，所有的波都是粒子，反之亦然）。该实验研究利用声子来存储量子信息，因为制造能够存储这些机械波的小型设备相对容易。要理解声波如何存储信息，可以想象一个回声极强的房间。现在，假设你需要记住下午的杂货清单，于是你打开房间的门，大声喊道："鸡蛋、培根和牛奶！"然后关上房门。一小时后，到了去杂货店的时间，你打开门，把头探进去，听到自己的声音还在回响："鸡蛋、培根和牛奶！"你刚刚用声波储存了信息。穆罕默德-米尔侯赛尼。资料来源：加州理工学院当然，在现实世界中，这样的回声不会持续太久，你的声音最终可能会失真到连自己的话都听不出来，更何况用整个房间来存储一点点数据也太荒谬了。研究团队的解决方案是一种由柔性板组成的微型装置，这种柔性板会被极高频率的声波振动。当在这些板上放置电荷时，它们就能与携带量子信息的电信号相互作用。这样，信息就可以通过管道输入设备进行存储，并通过管道输出以供日后使用--这与本故事前面你大喊大叫进入房间的那扇门完全不同。据穆罕默德-米尔霍塞尼介绍，以前的研究曾对一种被称为压电体的特殊材料进行过调查，以此作为在量子应用中将机械能转化为电能的一种手段。"然而，这些材料往往会造成电波和声波的能量损失，而损失是量子世界的一大杀手，"Mirhosseini说。相比之下，Mirhosseini和他的团队开发的新方法不受特定材料特性的影响，因此与基于微波的现有量子设备兼容。论文的第一作者、米尔霍塞尼研究小组的研究生阿尔基姆-博兹库尔特（AlkimBozkurt）说："对于从事量子应用研究的科研人员来说，制造体积小的有效存储设备一直是另一个实际挑战。不过，我们的方法能让电路中的量子信息存储时间比其他小型机械设备长两个数量级。"...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1376509.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1376509.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

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

革命性的材料可能解决IBM和谷歌发展量子计算遇到的关键问题

革命性的材料可能解决IBM和谷歌发展量子计算遇到的关键问题分层二维材料的异质结构的形成，设想为乐高式积木锁在一起。资料来源：ElizabethFloresgomezMurray普通计算机由数十亿个晶体管组成，被称为比特，并由二进制代码（"0"=关闭，"1"=打开）支配。量子比特，也被称为量子比特，是基于量子力学的，可以同时是"0"和"1"。这被称为叠加，可以使量子计算机比常规的、经典的计算机更加强大。然而，打造量子计算机有一个问题。宾夕法尼亚州立大学物理学教授、该研究的通讯作者朱俊说："IBM、Google和其他公司正在试图制造和扩大基于超导量子比特的量子计算机。如何将经典环境的负面影响降到最低，因为经典环境会导致量子计算机的运行出现错误，这是量子计算的一个关键问题。"这个问题的解决方案可能在一种被称为拓扑量子比特的异国版本中找到。朱说："基于拓扑超导体的量子比特有望受到超导性的拓扑方面的保护，因此对环境的破坏性影响更加强大。"拓扑量子比特与数学中的拓扑学有关，即一个结构正在经历物理变化，如被弯曲或拉伸，但仍保持其原始形式的属性。这是一种理论类型的量子比特，尚未实现，但其基本思想是，某些材料的拓扑特性可以保护量子状态不受经典环境的干扰。物理学研究生和该研究的第一作者CequnLi说，目前有很多人关注拓扑量子计算。李说："量子计算是一个非常热门的话题，人们正在考虑如何建立一种计算中误差较小的量子计算机。拓扑量子计算机是一种吸引人的方式。但拓扑量子计算的一个关键是为它开发合适的材料。"该研究的研究人员通过开发一种称为异质结构的层状材料，在这个方向上迈出了一步。该研究中的异质结构由一层拓扑绝缘体材料，铋锑碲化物或（Bi,Sb）2Te3，和一个超导材料层：镓组成。朱说："我们开发了一种特殊的测量技术来探测（Bi,Sb）2Te3薄膜表面的近距离诱导超导性。近距离诱导超导性是实现拓扑超导体的一个关键机制。我们的工作表明，它确实发生在（Bi,Sb）2Te3薄膜的表面。这是朝着实现拓扑超导体迈出的第一步"。然而，这样的拓扑绝缘体/超导体异质结构很难创建。因为不同的材料有不同的晶格结构。如果你把两种材料放在一起，它们可能会相互发生化学反应，最后会出现混乱的界面。因此，研究人员正在使用一种被称为约束异质外延的合成技术，该技术正在MRSEC进行探索。这涉及到在镓层和（Bi,Sb）2Te3层之间插入一层外延石墨烯，它是一层一到两个原子厚的碳原子片。这使这些层能够衔接和结合，就像把乐高积木扣在一起一样。李说："石墨烯将这两种材料分开，并作为一个化学屏障。因此，它们之间没有反应，我们最终得到了一个非常好的界面。"此外，研究人员证明了这种技术在晶圆水平上是可扩展的，这将使它成为未来量子计算的一个有吸引力的选择。晶圆是一种圆形的半导体材料切片，作为微电子的基底。这种异质结构具有拓扑超导体的所有元素，但也许更重要的是，它是一种薄膜，而且可能是可扩展的。因此，晶圆规模的薄膜在未来的应用上有很大的潜力，例如建立拓扑量子计算机。这项研究是CNS的IRG1-二维极地金属和异质结构团队的联合努力，由朱俊和宾夕法尼亚州立大学材料科学和工程教授JoshuaRobinson领导。参与这项研究的其他教师包括亨利-W-克纳尔早期职业教授和物理学副教授张翠珠，以及宾夕法尼亚州立大学材料科学和工程学院助理教授DanielleReifsnyderHickey。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1348689.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1348689.htm

研究：磁性量子材料为探索下一代信息技术提供平台

研究：磁性量子材料为探索下一代信息技术提供平台美国能源部下属橡树岭国家实验室（ORNL）的科学家们利用中子散射来确定一种特定材料的原子结构是否能够承载一种叫做螺旋自旋液体的新型物质状态。该研究小组通过追踪被称为"自旋"的微小磁矩在层状三氯化铁磁体的蜂窝状晶格上发现了第一个承载螺旋自旋液体的二维系统。这一发现为未来研究可能推动下一代信息技术的物理现象提供了一个试验台。这些现象包括分形子和斯格明子。分子是集体量化的振动，在量子计算中可能被证明是有前景的。斯格明子是新型的磁自旋纹理，可以推进高密度数据存储。ORNL的研究人员ShangGao说：“承载螺旋自旋液体的材料特别令人兴奋，因为它们有可能被用来产生量子自旋液体、自旋纹理和分子激发，”他领导了发表在《物理评论快报》上的这项研究。一个长期存在的理论预测，蜂窝状的晶格可以承载螺旋自旋液体。这是物质的一个新阶段，其中自旋形成波动的开瓶器状结构。然而，在这项研究之前，二维系统中的这种相的实验证据一直缺乏。二维系统包括一个层状晶体材料，其中平面上的相互作用比堆积方向上的更强。研究人员将三氯化铁确定为测试该理论的一个有希望的平台，该理论是在十多年前提出的。研究合著者、ORNL的AndrewChristianson找到了来自ORNL的MichaelMcGuire，他在生长和研究二维材料方面有广泛的工作经验，询问他是否会合成和描述一个三氯化铁的样品，以便进行中子散射测量。就像二维石墨烯层作为纯碳的蜂窝状格子存在于块状石墨中一样，二维铁层作为二维蜂窝状层存在于块状三氯化铁中。“以前的报告暗示，这种有趣的蜂窝状材料在低温下可能显示出复杂的磁性行为，”McGuire说。"每个蜂窝状的铁层在其上方和下方都有氯原子，构成氯-铁-氯板，"McGuire说。"一个板块顶部的氯原子通过范德瓦耳斯键与下一个板块底部的氯原子发生非常弱的相互作用。这种微弱的结合使得像这样的材料很容易被剥离成非常薄的层，往往是一个单一的板块。这对于开发设备和理解量子物理学从三维到二维的演变是很有用的。"在量子材料中，电子自旋可以有集体和外向的行为。如果一个自旋移动，所有的自旋都会做出反应--一种被爱因斯坦称为"远距离幽灵行动"的纠缠状态。该系统保持在一种挫折状态--一种保持无序的液体，因为电子自旋不断改变方向，迫使其他纠缠的电子波动以作出反应。60年前，第一个氯化铁晶体的中子衍射研究是在ORNL进行的。今天，ORNL在材料合成、中子散射、模拟、理论、成像和计算方面的广泛专业知识使其能够对磁性量子材料进行开拓性的探索，从而推动下一代信息安全和存储技术的发展。绘制螺旋自旋液体中的自旋运动图是由美国能源部科学办公室在ORNL的用户设施--辐照中子源和高通量同位素反应堆的专家和工具实现的。ORNL的合作者们对中子散射实验的成功至关重要。ClarinadelaCruz领导了使用HFIR的POWDER衍射仪的实验；刘耀华领导了使用SNS的CORELLI光谱仪的实验；MatthiasFrontzek领导...PC版：https://www.cnbeta.com/articles/soft/1305333.htm手机版：https://m.cnbeta.com/view/1305333.htm

纳米颗粒可自我组装 创造革命性的太阳能采集解决方案

纳米颗粒可自我组装创造革命性的太阳能采集解决方案太阳-热能技术作为一种环境友好的能源，有潜力解决化石燃料危机。然而，目前的太阳能采集器在可扩展性和灵活性方面存在局限性。为了解决这些挑战，研究人员设计了一种新的太阳能采集器，具有增强的能量转换能力。新设计的目的是简化制造，降低成本，同时提高性能。在AIP出版的《APL光子学》中，来自哈尔滨大学、浙江大学、长春光机所和新加坡国立大学的研究人员设计了一种具有增强能量转换能力的太阳能采集器。该装置采用了准周期的纳米级图案--意味着它的大部分是交替一致的图案，而剩下的部分包含随机缺陷（不同于纳米制造的结构），但不影响其性能。事实上，放宽对结构周期性的严格要求，大大增加了设备的可扩展性。该制造过程利用了自组装的纳米颗粒，这些颗粒在没有任何外部指令的情况下，根据它们与附近颗粒的相互作用形成有组织的材料结构。该装置收集的热能可以通过热电材料转化为电能。图片显示了该装置的太阳-热转换（左）和太阳能热电采集（右）浙江大学的作者李颖说："太阳能以电磁波的形式在广泛的频率范围内传输，一个好的太阳能-热能采集器应该能够吸收该波并发热，从而将太阳能转换为热能。这个过程需要很高的吸收率（100%是完美的），而且太阳能收割机还应该抑制其热辐射，以保存热能，这需要低的热辐射率（零意味着没有辐射）。"为了实现这些目标，收割机通常是一个具有周期性纳米光子结构的系统。但是，由于图案的刚性和高制造成本，这些模块的灵活性和可扩展性会受到限制。与以前的策略不同，这种准周期性纳米光子结构是由氧化铁（Fe3O4）纳米颗粒自组装的，而不是繁琐和昂贵的纳米制造。他们的准周期纳米光子结构实现了高吸收率（大于94%），抑制了热发射率（小于0.2），在自然太阳光照下，吸收器具有快速和明显的温度上升（大于80摄氏度）。基于该吸收器，该团队建立了一个灵活的平面太阳能热电采集器，它达到了每平方厘米超过20毫伏的重要维持电压。他们期望它能为每平方米的太阳能辐照提供20个发光二极管的电力。这种策略可以为低功率密度的应用服务，使太阳能采集的工程更加灵活和可扩展。"我们希望我们的准周期性纳米光子结构将激发其他工作，"李说。"这种高度通用的结构和我们的基础研究可以用来探索太阳能采集的上限，如灵活的可扩展的太阳能热电发电机，它可以作为一个辅助的太阳能采集组件，以提高光伏架构的总效率。"...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1345641.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1345641.htm