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

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

国泰君安：国内首个抗量子攻击护盾成功装备应用，密码产业迎来革命性机遇

国泰君安：国内首个抗量子攻击护盾成功装备应用，密码产业迎来革命性机遇国泰君安表示，近日，我国第三代自主超导量子计算机“本源悟空”成功装备国内首个PQC“抗量子攻击护盾”——PQC（PostQuantumCryptography后量子密码）混合加密方法。这将使“本源悟空”更好抵御其他量子计算机的攻击，确保运行数据安全。随着量子计算机兴起，传统加密技术将迎来挑战，我们预计抗量子密码和后量子密码技术将在未来10-15年全面替代现有密码系统，整个产业将迎来革命性发展机遇。

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

量子光子学的飞跃：革命性纳米腔体重新定义光约束

量子光子学的飞跃：革命性纳米腔体重新定义光约束长期以来，物理学家一直在寻找将光子强制放入越来越小的腔体中的方法。光子的自然长度尺度是波长，当光子被迫进入一个比波长小得多的空腔时，它实际上变得更加"集中"。这种集中增强了与电子的相互作用，放大了腔体内的量子过程。然而，尽管在将光限制在深亚波长体积方面取得了巨大成功，但耗散（光吸收）效应仍然是一个主要障碍。纳米腔体中的光子吸收非常快，比波长快得多，这种耗散限制了纳米腔体在一些最激动人心的量子应用中的适用性。4个不同大小的偏振腔的3D效果图。图片来源：MatteoCeccanti创新的纳米空腔设计来自西班牙巴塞罗那ICFO的FrankKoppens教授的研究小组通过创建具有无与伦比的亚波长体积和延长寿命的纳米腔体，解决了这一难题。这些纳米空腔的面积小于100x100nm²，厚度仅为3nm，却能将光限制在更长的时间内。关键在于双曲-声子-极化子的使用，这是形成空腔的二维材料中发生的独特电磁激发。纳米空腔（横截面视图）和近场尖端的草图，与空腔模式的模拟射线状场分布叠加在一起。资料来源：MatteoCeccanti与以往基于声子极化子的空腔研究不同，这项研究利用了一种新的间接约束机制。利用氦聚焦离子束显微镜的极高精度（2-3纳米），在金基底上钻出纳米级孔洞，从而制作出纳米空腔。打孔后，在其上面转移二维材料六方氮化硼（hBN）。六方氮化硼支持被称为双曲光子极化子的电磁激元，这种激元与普通光类似，只是可以被限制在极小的体积内。当极化子通过金属边缘上方时，它们会受到金属的强烈反射，从而被束缚住。因此，这种方法避免了直接塑造氢化硼，并保持了其原始质量，使空腔中的光子高度集中且寿命长。纳米空腔及其内部磁场的艺术效果图。资料来源：MatteoCeccanti出人意料的实验成功这一发现源于在另一个项目中使用近场光学显微镜扫描二维材料结构时的一次偶然观察。近场显微镜可以激发和测量光谱中红外范围的极化子，研究人员注意到这些极化子在金属边缘的反射异常强烈。这一意料之外的观察结果引发了更深入的研究，从而发现了独特的禁锢机制及其与纳米雷形成的关系。然而，在制作和测量空腔后，研究小组却发现了一个巨大的惊喜。第一作者、巴伊兰大学物理系的HananHerzigSheinfux博士说："实验测量结果通常比理论预测的要差，但在这种情况下，我们发现实验结果超过了乐观的简化理论预测。这一意想不到的成功为量子光子学的新颖应用和进步打开了大门，突破了我们认为可能的极限"。HerzigSheinfux博士在ICFO做博士后期间与Koppens教授一起进行了这项研究。他打算利用这些空腔来观察以前认为不可能实现的量子效应，并进一步研究双曲声子极化子行为这一引人入胜的反直觉物理学。编译来源：ScitechDaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1416529.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1416529.htm

突破性方法生产的超纯硅有望引发量子计算革命

突破性方法生产的超纯硅有望引发量子计算革命项目联合导师、墨尔本大学的戴维-贾米森（DavidJamieson）教授说，今天（2024年5月7日）发表在《自然》杂志《通讯材料》（CommunicationMaterials）上的这一创新成果，使用了植入纯稳定硅晶体中的磷原子量子比特，通过延长众所周知的脆弱量子相干的持续时间，可以克服量子计算的一个关键障碍。"脆弱的量子相干性意味着计算误差会迅速积累。有了我们的新技术提供的强大相干性，量子计算机可以在几小时或几分钟内解决一些传统或'经典'计算机--甚至超级计算机--需要几个世纪才能解决的问题，"杰米森教授说。当一个量子比特（如原子核、电子或光子）处于多种状态的量子叠加时，它就是一个量子物体。当量子比特恢复到单一状态时，相干性就会消失，变成像传统计算机比特那样的经典物体，而传统计算机比特永远只有一个或零，永远不会处于叠加状态。量子比特或量子比特--量子计算机的构件--容易受到环境微小变化的影响，包括温度波动。即使在接近绝对零度（零下273摄氏度）的宁静冰箱中运行，目前的量子计算机也只能在极短的几分之一秒内保持无差错的一致性。曼彻斯特大学的联合导师理查德-库里（RichardCurry）教授说，超纯硅允许构建高性能量子比特器件，而这是为可扩展量子计算机铺平道路所需的关键部件。"我们所能做的就是有效地创造出构建硅基量子计算机所需的关键'砖块'。库里教授说："这是创造一项有可能改变人类的技术的关键一步。"主要作者、墨尔本大学/曼彻斯特大学联合培养的博士生RaviAcharya在曼彻斯特大学P-NAME聚焦离子束实验室准备硅芯片，以便进行富集。资料来源：墨尔本大学/曼彻斯特大学领衔作者、曼彻斯特大学/墨尔本大学库克森联合学者拉维-阿查里亚说，硅芯片量子计算的最大优势在于它使用了与制造当今计算机芯片相同的基本技术。"目前，日常计算机中的电子芯片由数十亿个晶体管组成，这些晶体管也可用于制造硅量子设备的量子比特。迄今为止，制造高质量硅量子比特的能力部分受限于所用硅起始材料的纯度。我们在这里展示的突破性纯度解决了这一问题"。贾米森教授说："新型高度纯化的硅计算机芯片可以容纳和保护量子比特，使它们能够更长时间地保持量子相干性，从而能够进行复杂的计算，并大大减少纠错的需要。我们的技术为可靠的量子计算机开辟了道路，有望在人工智能、安全数据和通信、疫苗和药物设计以及能源利用、物流和制造等领域为整个社会带来阶跃式变革。"硅由不起烟的海滩沙制成，是当今信息技术产业的关键材料，因为它是一种丰富而多用途的半导体：它可以作为电流的导体或绝缘体，具体取决于添加到其中的其他化学元素。贾米森教授说："其他人正在尝试使用替代品，但我们相信硅是量子计算机芯片的主要候选者，它将实现可靠的量子计算所需的持久相干性。"共同作者（左）DavidJamieson教授（墨尔本大学）和（右）MaddisonCoke博士（曼彻斯特大学）在曼彻斯特大学检查用于硅富集项目的P-NAME聚焦离子束系统。资料来源：墨尔本大学/曼彻斯特大学他说："问题在于，虽然天然存在的硅主要是理想的同位素硅-28，但也有大约4.5%的硅-29。硅-29在每个原子核中都有一个额外的中子，它就像一块微小的流氓磁铁，会破坏量子相干性并产生计算误差。"研究人员将一束聚焦的纯硅-28高速射向硅芯片，使硅-28逐渐取代芯片中的硅-29原子，将硅-29从百万分之四点五减少到百万分之二（0.0002%）。"好消息是，要将硅纯化到这种程度，我们现在可以使用一台标准机器--离子注入机--你可以在任何半导体制造实验室找到它，并根据我们设计的特定配置进行调整。"在之前发表的与澳大利亚研究理事会量子计算和通信技术卓越中心（ARCCentreofExcellenceforQuantumComputationandCommunicationTechnology）合作进行的研究中，墨尔本大学利用纯度较低的硅材料创造了30秒的单量子比特相干世界纪录，并且至今仍保持着这一纪录。30秒的时间足以完成无差错的复杂量子计算。贾米森教授说："现有最大的量子计算机拥有1000多个量子比特，但由于失去了一致性，在几毫秒内就会出现错误。既然我们已经可以生产出极纯的硅-28，我们的下一步将是证明我们可以同时维持许多量子比特的量子相干性。一台仅有30个量子比特的可靠量子计算机在某些应用中的性能将超过当今的超级计算机。"这项最新研究工作得到了澳大利亚和英国政府的研究资助。贾米森教授与曼彻斯特大学的合作得到了英国皇家学会沃尔夫森访问学者奖学金的支持。据澳大利亚联邦科学与工业研究组织2020年的一份报告估计，到2040年，澳大利亚的量子计算有可能创造1万个工作岗位和25亿美元的年收入。编译来源：ScitechDaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1429979.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1429979.htm