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

研究人员发现利用量子光探测量子声音的开创性方法

研究人员发现利用量子光探测量子声音的开创性方法最近发表在《物理评论快报》（PhysicalReviewLetters）杂志上的一项研究揭示了分子振动与光粒子（即光子）之间的量子力学相互作用。希望这一发现能帮助科学家更好地理解光与物质在分子尺度上的相互作用。量子效应在从新量子技术到生物系统等各种应用中的重要性的基本问题铺平了道路。UEA物理学院的马格努斯-博格（MagnusBorgh）博士说："化学物理学界对光粒子的能量在分子内传递过程的性质长期存在争议。从根本上说，它们是量子力学还是经典力学？分子是复杂而混乱的系统，不断振动。这些振动如何影响分子中的任何量子力学过程？""对这些过程的研究通常使用依赖偏振的技术--这与太阳镜中用于减少反射的光的特性相同。但这是一种经典现象。量子光学是研究光的量子性质及其与原子尺度物质相互作用的物理学领域，它的技术可以提供一种直接研究分子系统中真正量子效应的方法。"光子相关性在量子行为中的意义通过研究置于激光场中的分子发出的光的相关性，可以揭示量子行为。相关性回答了两个光子发射距离很近的可能性有多大的问题，并可使用标准技术进行测量。UEA理论化学博士生本-汉弗莱斯（BenHumphries）说："我们的研究表明，当分子与周围环境交换声子（量子力学的声音粒子）时，会在光子相关性中产生可识别的信号。"虽然光子在世界各地的实验室中都能被常规地产生和测量，但单个的量子振动，也就是相应的声音粒子--声子，一般无法进行类似的测量。新发现为研究分子中的量子声音世界提供了一个工具箱。首席研究员、UEA化学学院的加思-琼斯（GarthJones）博士说："我们还计算了光子和声子之间的相关性。他补充说："如果我们的论文能够启发人们开发新的实验技术，直接探测单个声子，那将是非常令人兴奋的。"...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1392893.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1392893.htm

量子技术的突破：新方法保护信息不受退相干和泄密影响

量子技术的突破：新方法保护信息不受退相干和泄密影响开放式量子系统和非赫米特拓扑学的图解资料来源：JoseLado,Aalto大学。通常情况下，将像量子计算机这样的系统与环境相连会导致退相干和信息泄露，损害系统内的数据。然而，研究人员已经设计出一种技术，将这一问题转化为一种有益的解决方案。这项研究是由阿尔托博士研究员陈光泽在何塞-拉多教授的指导下，与来自清华大学计算机研究所的宋飞合作进行的。他们的方法结合了两个领域的技术，量子多体物理学和非赫米特量子物理学。防范退相干和泄密量子系统中最令人好奇和强大的现象之一是多体量子关联。理解这些现象并预测其行为是至关重要的，因为它们是量子计算机和量子传感器的关键部件的奇异特性的基础。虽然在预测物质与其环境隔离时的量子关联方面已经取得了很多进展，但当物质与其环境耦合时，科学家们至今仍无法做到这一点。在新的研究中，研究小组表明，在适当的情况下，将一个量子设备与外部系统连接起来可以成为一种优势。当一个量子设备是所谓的非赫米特拓扑结构的宿主时，它会导致强大的保护性量子激发，其弹性源于它们对环境开放这一事实。这些开放的量子系统有可能为量子技术带来颠覆性的新策略，利用外部耦合来保护信息免受退相干和泄露。从理想化条件到现实世界这项研究建立了一种新的理论方法，计算量子粒子与环境耦合时的相关性。"我们开发的方法使我们能够解决同时呈现耗散和量子多体相互作用的相关量子问题。"陈说："作为一个概念证明，我们为具有24个相互作用的量子比特的系统演示了该方法，这些量子比特具有拓扑激发的特点。"拉多教授解释说，他们的方法将有助于将量子研究从理想化条件转向现实世界的应用。"预测相关量子物质的行为是量子材料和设备的理论设计的关键问题之一。然而，当考虑到量子系统与外部环境耦合的现实情况时，这个问题的难度变得更大。他说："我们的结果代表了在解决这个问题上的一个进步，为理解和预测量子技术中现实条件下的量子材料和设备提供了一种方法。"...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1355021.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1355021.htm

研究人员开发出一种利用磁子传输量子信息的新方法

研究人员开发出一种利用磁子传输量子信息的新方法HZDR的研究人员成功地在磁盘中产生了类似于波的激发--即所谓的磁子--来专门操纵碳化硅中原子大小的量子比特。这为量子网络中的信息传输开辟了新的可能性。图片来源：HZDR/MauricioBejarano为了满足这一需求，德累斯顿-罗森多夫亥姆霍兹中心（HZDR）的一个研究小组现在推出了一种传输量子信息的新方法：该小组通过利用磁子（磁性材料中的波状激起）的磁场来操纵量子比特（即所谓的量子比特），磁子发生在微观磁盘中。研究人员在《科学进展》（ScienceAdvances）杂志上发表了他们的研究成果。建造可编程的通用量子计算机是当代最具挑战性的工程和科学研究之一。这种计算机的实现为物流、金融和制药等不同行业领域带来了巨大潜力。然而，由于量子计算机技术在存储和处理信息时存在固有的脆弱性，因此阻碍了实用量子计算机的建造。量子信息被编码在量子比特中，而量子比特极易受到环境噪声的影响。微小的热波动（几分之一度）就可能完全破坏计算。这促使研究人员将量子计算机的功能分布在不同的独立构件中，以努力降低出错率，并利用这些构件的互补优势。"然而，这就带来了一个问题，即如何在模块之间传输量子信息，使信息不会丢失，"HZDR研究员、该刊物第一作者毛里西奥-贝哈拉诺（MauricioBejarano）说。"我们的研究正是在这个特定的利基上，在不同的量子模块之间传输通信。"目前，传输量子信息和寻址量子比特的既定方法是通过微波天线。这是Google和IBM在其超导芯片中使用的方法，也是在这场量子竞赛中处于领先地位的技术平台。"而我们则是通过磁子来寻址量子比特。磁子可被视为穿过磁性材料的磁激发波。这样做的好处是，磁子的波长在微米范围内，比传统微波技术的厘米波短得多。因此，磁子的微波足迹在芯片中花费的空间更少。HZDR小组研究了磁子与碳化硅晶体结构中硅原子空位形成的量子比特的相互作用，碳化硅是一种常用于大功率电子器件的材料。这类量子比特通常被称为自旋量子比特，因为量子信息是由空位的自旋状态编码的。但是，如何利用磁子来控制这类量子比特呢？"通常情况下，磁子是通过微波天线产生的。"贝哈拉诺解释说："这就带来了一个问题，即很难将来自天线的微波驱动与来自磁子的微波驱动分离开来。"为了将微波从磁子中分离出来，HZDR团队利用了一种在镍铁合金微观磁盘中可以观察到的奇特磁现象。"由于非线性过程，磁盘内的一些磁子具有比天线驱动频率低得多的频率。我们只用这些频率较低的磁子来操纵量子比特"。研究小组强调，他们还没有进行任何量子计算。不过，他们表明，完全用磁子处理量子比特从根本上是可行的。"迄今为止，量子工程界还没有意识到磁子可以用来控制量子比特，"Schultheiß强调说。"但我们的实验证明，这些磁波确实可以派上用场"。为了进一步发展他们的方法，研究小组已经在为未来的计划做准备：他们想尝试控制几个间距很近的单个量子比特，让磁子介导它们的纠缠过程--这是进行量子计算的先决条件。他们的设想是，从长远来看，磁子可以被直接电流激发，其精确度可以达到在量子比特阵列中专门针对单个量子比特。这样就可以将磁子用作可编程量子总线，以极其有效的方式寻址量子比特。虽然未来还有大量工作要做，但该研究小组的研究强调，将磁子系统与量子技术相结合，可以为未来开发实用量子计算机提供有益的启示。编译自:ScitechDaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1424810.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1424810.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

利用混沌：激光测距的革命性方法

利用混沌：激光测距的革命性方法EPFL的研究人员利用光学微谐振器中的混沌频率梳开发出了一种新的激光测距方法，有望推动光学测距和通信技术的发展。洛桑联邦理工学院劳力士学习中心的激光雷达点云插图。资料来源：AntonLukashchuk（EPFL）利用混沌频梳现在，EPFL的托比亚斯-基彭伯格（TobiasKippenberg）研究小组的研究人员找到了一种新方法，可以利用混沌频率梳的独特功能，通过利用混沌梳线的固有随机振幅和相位调制，实现毫不含糊且不受干扰的大规模并行激光测距。这项研究为利用光微谐振器中的非相干和混沌光状态进行大规模并行激光测距引入了一种新范例。与传统方法相比，这种创新方法具有显著优势，为各个领域的应用开辟了新的可能性。技术细节和优势这种新型激光测距技术背后的概念是基于随机调制连续波（RMCW）原理，即利用载波的随机振幅和相位调制，通过探测器的振幅和频率交叉相关性来探测目标。与依赖外部调制的传统连续波（CW）系统不同，EPFL开发的方法利用了光学微谐振器中混沌梳状线固有的随机振幅和相位调制。该系统可支持数百个多色独立光载波，从而实现大规模并行激光测距和测速。商业意义和专家见解RMCW技术正变得越来越有吸引力，一些激光雷达公司在其商业产品中采用了这种方法。基彭伯格实验室的博士生、本研究的第一作者安东-卢卡舒克（AntonLukashchuk）说："在未来的无人驾驶车辆时代，不受其他激光雷达和环境光源的相互干扰使得RMCW的这一优势非常显著。此外，我们的方法对激光器的频率噪声、调谐灵敏度和线性度没有严格要求，也不需要波形启动程序"。约翰-里门斯伯格（JohannRiemensberger）是基彭伯格实验室的博士后，也是这篇论文的共同作者："令人惊讶的是，在混沌调制不稳定性机制下运行时，梳状线会伴随宽带信号调制，通常会超过谐振带宽，从而实现厘米量级的范围分辨率。此外，混沌微梳具有高能效、热稳定性好、操作简单等特点，并能提供平顶光学光谱"。该团队的突破为光学测距、扩频通信、光学密码学和随机数生成开辟了新的可能性。这项研究成果不仅推进了我们对光学系统混沌动力学的理解，还为各个领域的高精度激光测距提供了实用的解决方案。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1389517.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1389517.htm