科学家揭开量子化涡旋运动的谜团 解释其与正常流体之间的相互作用

科学家揭开量子化涡旋运动的谜团解释其与正常流体之间的相互作用尽管物理学界已经提出了几种理论模型，但尚不清楚哪种模型是正确的。由大阪都立大学科学研究生院和南部洋一郎理论与实验物理研究所的MakotoTsubota教授和特聘助理SatoshiYui教授领导的研究小组与佛罗里达州立大学和庆应义塾大学的同事合作，以数值方式研究了量子化涡旋与法向流体之间的相互作用。 根据实验结果，研究人员决定了几个理论模型中最一致的一个。他们发现，考虑正常流体变化并包含理论上更准确的相互摩擦的模型与实验结果最相符。平面以上量化涡旋环的可视化（绿色曲线），正常流体涡旋环（红色半圆）。资料来源：MakotoTsubota,OMU“这项研究的主题是量子化涡旋与正常流体之间的相互作用，自从我40年前开始在这一领域进行研究以来，一直是一个巨大的谜团，”坪田教授说道。“计算的进步使得解决这个问题成为可能，我们佛罗里达州立大学的合作者出色的可视化实验取得了突破。正如科学中经常发生的情况一样，技术的后续发展使得阐明这一问题成为可能，这项研究就是一个很好的例子。”他们的研究结果于2023年5月23日发表在《自然通讯》杂志上。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1367417.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1367417.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

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

科学家揭秘细菌物种间的相互作用与组织动态模式

科学家揭秘细菌物种间的相互作用与组织动态模式由于两种细菌物种之间的追逐相互作用，可以创建结构模式。在一个新模型中，马克斯·普朗克动力学与自组织研究所(MPI-DS)的科学家描述了个体层面的相互作用如何导致物种的自组织，他们的发现提供了对集体行为一般机制的见解。在最近的一项研究中，MPI-DS生命物质物理系的科学家开发了一个模型来描述细菌群体中的通讯途径。细菌通过感知环境中化学物质的浓度并调整其运动来表现出整体的组织模式。“我们模拟了两种细菌之间的非互惠相互作用，”第一作者YuDuan解释道。“这意味着物种A正在追逐物种B，而物种B的目标是排斥物种A。”研究人员发现，仅仅这种追逐和避免的相互作用就足以形成一种结构模式。生成的模式的类型取决于交互的强度。这补充了之前的一项研究，其中提出了一个模型，该模型还包括细菌的种内相互作用，以形成一种模式。根据两个物种A和B之间的追逐和避免相互作用，不同的自组织模式可以在全球层面上进化。图片来源：MPI-DS/LMP在这个新模型中，还包括细菌运动的影响，不需要粘附或对齐来形成包含数百万个体的复杂超级结构。“虽然细菌种群动态显示出整体秩序，但在个体细菌水平上情况并非如此。特别是，单个细菌似乎以无序的方式移动，其结构只有在更高的水平上才可见，这非常令人着迷。”MPI-DS生命物质物理系组长BenoîtMahault总结道。该模型还允许考虑两个以上的物种，增加可能的相互作用和新兴模式的数量。值得注意的是，它也不限于细菌，还可以应用于各种集体行为。其中包括光控微型游泳者、群居昆虫、动物群体和机器人群。因此，这项研究提供了关于在具有许多组件的网络中形成大规模结构的机制的一般见解。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1389173.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1389173.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

新研究表明暗物质以非局部方式与引力相互作用

新研究表明暗物质以非局部方式与引力相互作用来自SISSA的一项新研究表明，暗物质以一种非局部的方式与引力相互作用，这对传统理论提出了挑战，并为暗物质的本质提供了新的视角。研究人员利用分数微积分发现，这种非局部相互作用能更准确地描述恒星的运动，尤其是在小尺寸星系中。局部性原理指出，一个物体只受其周围环境的直接影响：遥远的物体无法即时交流，只有此时此地的物体才是最重要的。然而，在上个世纪，随着量子力学的诞生和发展，物理学家发现非局部现象不仅存在，而且是理解现实本质的基础。现在，SISSA-ScuolaInternazionaleSuperiorediStudiAvanzati最近在《天体物理学杂志》上发表的一项新研究表明，暗物质--宇宙中最神秘的成分之一--以一种非局部的方式与引力相互作用。据论文作者、博士生弗朗切斯科-贝内蒂（FrancescoBenetti）和乔瓦尼-甘多尔菲（GiovanniGandolfi）以及他们的导师安德烈亚-拉皮（AndreaLapi）说，这一发现可以为至今仍不清楚的暗物质性质提供一个全新的视角。暗物质是大自然的基本组成部分：它是我们今天在宇宙中观察到的结构形成的原因，并围绕着星系中的发光物质，促成了我们在天空中看到的恒星的运动。然而，暗物质的性质，尤其是它与较小星系中引力的相互作用，仍然是个谜。"近几十年来，科学界为了解这些神秘现象做出了巨大努力，但仍有许多问题没有答案。要探索暗物质的本质及其与引力的相互作用，可能需要一种新的方法，"这项研究的作者解释说。来自SISSA的新研究正是探索了这条引人入胜的道路。研究提出了星系暗物质与引力之间非局部相互作用的新模型："作者说："就好像宇宙中的所有物质都在告诉星系中的暗物质如何运动。为了模拟这种非局部性，我们使用了分数微积分，这是一种数学工具，最早开发于17世纪，最近被应用于物理学的各个领域。这种微积分的威力以前从未在天体物理学中测试过。作者解释说："我们想知道分数微积分能否成为理解暗物质的神秘本质及其与引力相互作用的关键，令人惊讶的是，对数千个不同类型星系的实验结果表明，与标准引力理论相比，新模型能更准确地描述恒星的运动。"作者解释说："这种非局部性似乎是暗物质粒子在一个封闭系统中的集体行为，在小尺寸星系中尤为明显。对这一现象的透彻理解可能会让我们更接近暗物质的真实面目。然而，还有许多问题有待解答。非位置性是如何精确出现的？在星系团等更大的结构中，或者在引力透镜现象中，它的影响是什么？"此外，考虑到这种新机制，有必要重新考虑宇宙学的标准模型。"我们将开展进一步的研究，探索所有这些影响以及更多的影响。我们不会惊讶地发现，关于宇宙的其他未决问题也可以通过新提出的非局域性得到解决。"在理解暗物质的性质方面取得的进展是朝着更好地了解我们的宇宙迈出的重要一步。正在进行的研究不断提供新的视角，使我们更接近于全面了解我们周围的现象。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1380791.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1380791.htm