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

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

研究人员成功实现利用超导体掌握芯片上的自旋波

研究人员成功实现利用超导体掌握芯片上的自旋波这些磁体中的微小自旋波可能在未来成为电子器件的替代品，对节能信息技术或量子计算机中的连接部件等很有意义。这一突破发表在《科学》杂志上，主要让物理学家对磁体和超导体之间的相互作用有了新的认识。"自旋波是磁性材料中的波，我们可以利用它来传输信息，"领导这项实验的迈克尔-博斯特解释说。"由于自旋波可以成为替代电子产品的高能效构件，科学家们多年来一直在寻找控制和操纵自旋波的有效方法"。""早有预言金属电极可以控制自旋波，但直到现在，物理学家几乎还没有在实验中看到这种效果。"量子纳米科学系副教授ToenovanderSar说："我们研究团队的突破在于，我们证明了如果使用超导电极，确实可以正确控制自旋波。"其工作原理如下：自旋波产生磁场，磁场又在超导体中产生超电流。超电流就像自旋波的一面镜子：超导电极将磁场反射回自旋波。超导镜面使自旋波上下移动的速度更慢，从而使自旋波易于控制。当自旋波经过超导电极时，它们的波长会完全改变，只要稍微改变电极的温度，我们就能非常精确地调节变化的幅度。实验插图。图中显示了薄磁层上的两个金电极。中间是一个超导电极。研究人员用左边的金电极在磁性材料中产生自旋波，自旋波向右边传播。电极顶部是一个方形钻石膜，研究人员可以通过它看到超导电极。资料来源：代尔夫特理工大学MichaelBorst"我们首先铺设了一层薄薄的钇铁石榴石（YIG）磁层，它被称为地球上最好的磁铁。我们在上面铺设了一个超导电极和另一个电极来诱导自旋波。通过冷却到零下268度，我们让电极进入了超导状态，"范德萨说。"令人惊奇的是，自旋波随着温度的降低变得越来越慢。这让我们有了操纵自旋波的独特方法；我们可以让自旋波偏转、反射、共振等等。但这也让我们对超导体的特性有了新的认识。"研究人员钻石中的电子作为自旋波磁场的传感器，对自旋波进行成像，这对实验至关重要。它最酷的地方在于可以透过不透明的超导体观察下面的自旋波，就像核磁共振扫描仪可以透过皮肤观察人的身体一样。""自旋波技术仍处于起步阶段，"博斯特说。"例如，要利用这种技术制造高能效计算机，我们首先必须开始构建小型电路来执行计算。我们的发现打开了一扇门：超导电极可以实现无数新的高能效自旋波电路"。范德萨补充说："我们现在可以设计基于自旋波和超导体的设备，这些设备产生的热量和声波都很少。想想自旋电子学版的频率滤波器或谐振器吧，这些元件可以在手机的电子电路中找到。或者可以作为量子计算机中量子位之间的晶体管或连接器的电路。"...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1393793.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1393793.htm

研究人员创造了一种利用快速电子研究材料中慢速电子的方法

研究人员创造了一种利用快速电子研究材料中慢速电子的方法访问：NordVPN立减75%+外加3个月时长另有NordPass密码管理器然而，这些慢速电子却极难测量。有关它们在固体材料中行为的知识非常有限，科学家们往往只能依靠反复试验。不过，维也纳工业大学现已成功获得有关这些电子行为的宝贵新信息：利用快速电子直接在材料中产生慢速电子。这样就能破译以前无法通过实验获得的细节。该方法现已发表在《物理评论快报》（PhysicalReviewLetters）杂志上。同时产生两种电子维也纳工业大学应用物理研究所的沃尔夫冈-维尔纳（WolfgangWerner）教授说："我们对慢速电子在材料内部（例如晶体内部或活细胞内部）的作用很感兴趣。要想找出答案，实际上必须直接在材料中建造一个小型实验室，才能直接进行现场测量。但这当然是不可能的。"FelixBlödorn、JulianBrunner、AlessandraBellissimo、FlorianSimperl、WolfgangWerner。资料来源：维也纳工业大学迄今为止只能测量从材料中出来的电子，但这并不能告诉我们电子是在材料的哪个部位被释放出来的，以及从那时起电子发生了什么变化。维也纳科技大学的团队借助快速电子解决了这一问题，快速电子可以穿透材料并激发材料中的各种过程。例如，这些快速电子会扰乱材料正负电荷之间的平衡，从而导致另一个电子脱离其位置，以相对较低的速度移动，并在某些情况下逃离材料。现在的关键步骤是同时测量这些不同的电子："一方面，我们将电子射入材料，并测量它再次离开时的能量。另一方面，我们也同时测量哪些慢速电子从材料中出来。将这些数据结合起来，就有可能获得以前无法获得的信息。"快速电子在穿过材料的过程中损失了多少能量，可以提供它穿透材料多深的信息。这反过来又提供了有关慢速电子从其位置释放出来的深度的信息。现在可以利用这些数据来计算材料中的慢速电子释放能量的程度和方式。有关的数值理论首次可以通过这些数据得到可靠的验证。这让人大吃一惊：以前人们认为，材料中电子的释放是以级联的方式进行的：一个快速电子进入材料，撞击到另一个电子，然后将其从原处撕开，导致两个电子移动。然后，这两个电子又会从自己的位置上带走两个电子，依此类推。新数据表明，事实并非如此：相反，快速电子经历了一系列碰撞，但始终保持着大部分能量，而且在每一次相互作用中，只有一个相对较慢的电子脱离其位置。沃尔夫冈-维尔纳说："我们的新方法在非常不同的领域提供了机会。我们现在终于可以研究电子在与材料相互作用时如何释放能量了。例如，正是这种能量决定了在癌症治疗中能否摧毁肿瘤细胞，或者在电子束光刻中能否正确形成半导体结构的最精细部分。"编译来源：ScitechDaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1431288.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1431288.htm

研究人员首次提出Hopfions三维磁性自旋结构的实验证据

研究人员首次提出Hopfions三维磁性自旋结构的实验证据环中的磁自旋方向。资料来源：PhilippRybakov瑞典乌普萨拉大学物理和天文学系研究员菲利普-雷巴科夫（PhilippRybakov）说："我们的研究成果无论从基础角度还是应用角度来看都非常重要，因为在实验物理学和抽象数学理论之间架起了一座新的桥梁，有可能让hopfions在自旋电子学中得到应用。"深入了解材料不同成分的功能对于开发创新材料和未来技术非常重要。例如，研究电子自旋的自旋电子学（spintronics）研究领域为将电子的电性和磁性结合起来应用于新型电子学等领域开辟了广阔的前景。实验图像（快照显示了在两个不同的外加磁场值下，180nm厚的铁锗板中的霍普菲亚环的过聚焦洛伦兹透射电子显微镜图像）。图片来源：FengshanZheng/ForschungszentrumJülichMagneticskyrmions和hopfions是一种拓扑结构--具有良好定位的场构型，在过去十年中一直是热门的研究课题，因为它们具有类似粒子的独特性质，这使它们成为自旋电子应用的前景广阔的对象。Skyrmions是二维的，类似于旋涡状的弦，而hopfions则是磁性样品体积内的三维结构，在最简单的情况下类似于甜甜圈形状的封闭扭曲的Skyrmion弦。尽管近年来进行了大量研究，但对磁性霍普菲斯的直接观察仅在合成材料中有所报道。目前的这项工作是利用透射电子显微镜和全息技术在B20型铁锗板晶体中稳定这种状态的首个实验证据。实验结果具有高度的可重复性，并且与微磁模拟完全一致。研究人员提供了一种统一的skyrmion-hopfion同调分类，并深入揭示了三维手性磁体中拓扑孤子的多样性。PhilippRybakov博士，瑞典乌普萨拉大学物理与天文学系材料理论博士后研究员，通讯作者。图片来源：EkaterinaDedyukhina这些发现为实验物理学开辟了新的领域：确定hopfions稳定的其他晶体、研究hopfions如何与电流和自旋电流相互作用、hopfion动力学等。"由于这个物体是新的，其许多有趣的特性仍有待发现，因此很难对具体的自旋电子应用做出预测。不过，我们可以推测，当几乎所有正在开发的磁性天车技术升级到第三维度时，hopfions可能是最令人感兴趣的，应用领域有：磁畴壁内存、神经形态计算和量子比特（量子信息的基本单位）。"雷巴科夫解释说："与skyrmions相比，hopfions因其三维性而具有额外的自由度，因此可以在三维而非二维空间中运动。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1399099.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1399099.htm

科学家用量子材料产生类似"3D眼镜"的视角将拓扑材料可视化

科学家用量子材料产生类似"3D眼镜"的视角将拓扑材料可视化研究人员利用X射线（图中绿色部分），在金属TbV6Sn6上创造出了三维电影般的效果。通过这种方法，他们成功追踪到了电子（图中的蓝色和黄色）的行为，并在理解量子材料方面向前迈进了一步。图片来源：JörgBandmann/ct.qmat)为了区分拓扑材料和传统材料，科学家们习惯于研究它们的表面电流。然而，电子的拓扑结构与其量子力学波特性和自旋密切相关。现在，这种关系已经通过光电效应得到了直接证明--在光的作用下，电子从金属等材料中释放出来。维尔茨堡ct.qmat的创始成员、该项目的理论物理学家之一乔治-桑焦万尼（GiorgioSangiovanni）教授将这一发现比作用3D眼镜来观察电子的拓扑结构。他解释说"电子和光子可以被量子力学地描述为波和粒子。因此，电子具有自旋，我们可以利用光电效应测量电子的自旋。为此，研究小组使用了圆偏振X射线光--具有转矩的光粒子。桑焦万尼详细解释道："当光子遇到电子时，量子材料发出的信号取决于光子是右旋还是左旋。换句话说，电子自旋的方向决定了左旋光束和右旋光束之间信号的相对强度。因此，我们可以把这个实验想象成3D电影院里的偏振眼镜，在那里也会使用不同方向的光束。我们的'3D眼镜'让电子的拓扑结构清晰可见"。由维尔茨堡-德累斯顿卓越研究小组ct.qmat（量子物质中的复杂性和拓扑学）领导的这一突破性实验及其理论描述，是从拓扑学角度描述量子材料特征的首次成功尝试。桑焦万尼指出了粒子加速器在实验中的重要作用，他说："我们需要同步加速器来产生这种特殊的X射线光，并创造出'3D电影'效果"。研究人员历时三年，终于取得了这一巨大成功。他们的起点是量子材料"Kagome"金属TbV6Sn6。在这一类特殊材料中，原子晶格混合了三角形晶格和蜂窝状晶格，其结构让人联想到日本的花篮编织。鹿目金属在ct.qmat的材料研究中发挥着重要作用。"在我们的实验同事开始同步加速器实验之前，我们需要模拟实验结果，以确保我们走在正确的轨道上。第一步，我们设计了理论模型，并在超级计算机上进行了计算，"项目负责人、理论物理学家DomenicodiSante博士说，他同时也是维尔茨堡合作研究中心（SFB）1170ToCoTronics的准成员。测量结果与理论预测完全吻合，使研究小组能够直观地看到并确认可果美的金属拓扑结构。参与该研究项目的科学家来自意大利（博洛尼亚、米兰、的里雅斯特、威尼斯）、英国（圣安德鲁斯）、美国（波士顿、圣巴巴拉）和维尔茨堡。用于模拟的超级计算机在慕尼黑，同步加速器实验在的里雅斯特进行。"Sangiovanni教授总结道："这些研究成果完美地诠释了理论物理学和实验物理学协同工作所能产生的非凡成果。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1373551.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1373551.htm