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

来自宇宙的幽灵粒子：冰立方的中微子搜索将改写天体物理学

来自宇宙的幽灵粒子：冰立方的中微子搜索将改写天体物理学每秒钟大约有一万亿个叫做中微子的微小粒子穿过你的身体。这些在宇宙大爆炸期间产生的"遗迹"中微子遍布整个宇宙，但它们不会伤害你。事实上，在你的一生中，只有一个中微子有可能轻触你体内的一个原子。由黑洞等天体产生的大多数中微子比漂浮在太空中的遗迹中微子能量大得多。虽然这些高能中微子更为罕见，但它们更有可能撞上什么东西，并产生像我这样的物理学家可以探测到的信号。但为了探测到它们，中微子物理学家不得不建造非常大型的实验。冰立方就是这样一个实验，它在2024年4月发表的一项研究中记录了一种特别罕见的高能天体物理中微子。这些高能中微子经常伪装成其他更常见类型的中微子。但是，我和我的同事第一次成功地探测到了它们，从近10年的数据中提取出了一些。它们的出现让像我这样的研究人员离揭开天体中微子等高能粒子如何产生之谜更近了一步。冰立方位于数以吨计的透明冰层上，让科学家们能够看到中微子的相互作用。资料来源：克里斯托弗-米歇尔冰立方中微子天文台冰立方中微子天文台是大型中微子实验中重达800磅的庞然大物。它拥有约5000个传感器，十多年来一直在仔细观察南极地下的千兆吨冰层。当中微子与冰层中的原子碰撞时，会产生一个光球，传感器会将其记录下来。当中微子穿过冰立方时，其中的一小部分会与冰中的原子相互作用并产生光，传感器会记录下这些光。在视频中，球体代表各个传感器，每个球体的大小与其探测到的光的多少成正比。颜色表示光的相对到达时间，根据彩虹的颜色，红色到达时间最早，紫色最晚。冰立方已经探测到在多个地方产生的中微子，如地球大气层、银河系中心以及许多光年外其他星系的黑洞。但是，中微子中的一种高能中微子--tau中微子，却一直躲避着冰立方--直到现在。中微子有三种不同类型，物理学家称之为"味道"。每种味道都会在冰立方这样的探测器上留下独特的印记。当中微子撞击另一种粒子时，通常会产生与其味道相对应的带电粒子。μ介子中微子产生μ介子，电子中微子产生电子，头中微子产生头。具有μ介子味道的中微子具有最明显的特征，因此我和冰立方合作小组的同事们自然首先寻找这些中微子。μ介子中微子碰撞释放出的μ介子在衰变前会穿过数百米的冰层，形成一条长长的可探测光轨。通过这条轨迹，研究人员可以追踪中微子的来源。研究小组接下来研究了电子中微子，其相互作用产生了一个大致球形的光球。电子中微子碰撞产生的电子永远不会衰变，它会撞向它靠近的冰层中的每一个粒子。在电子最终静止之前，这种相互作用会留下一个不断膨胀的光球。由于电子中微子的方向很难用肉眼辨别，冰立方的物理学家们应用机器学习技术来回溯电子中微子可能产生的位置。这些技术利用复杂的计算资源，调整数百万个参数，将中微子信号从所有已知背景中分离出来。第三种中微子--tau中微子--是三重奏中的变色龙。一个tau中微子可以显示为一条光轨，而下一个tau中微子则可以显示为一个球。在碰撞中产生的头中微子在衰变前只飞行了几分之一秒，当它衰变时，通常会产生一个光球。这些tau中微子会产生两个光球，一个是它们最初撞击到某个物体并产生tau粒子，另一个则是tau粒子本身发生衰变。大多数情况下，中微子只飞行了很短的距离就衰变了，这使得两个光球重叠得非常厉害，以至于无法与一个光球区分开来。但在能量较高的情况下，发射出的tau粒子可以飞行数十米，导致两个光球彼此分离。掌握了这些机器学习技术的物理学家可以看穿这一点，从而大海捞针。高能tau中微子利用这些计算工具，研究小组成功地从大约10年的数据中提取出7个强候选tau中微子。这些tau中微子的能量甚至比地球上最强大的粒子加速器还要高，这意味着它们一定来自天体物理源，比如黑洞。这些数据证实了冰立方先前发现的天体物理中微子，也证实了冰立方先前发现的天体物理tau中微子的蛛丝马迹。这些结果还表明，即使在最高能量和最远距离上，中微子的行为方式也与它们在较低能量下的行为方式基本相同。特别是，对天体物理tau中微子的探测证实，来自遥远来源的高能中微子会改变味道或振荡。能量更低的中微子在更短的距离内也会以同样的方式振荡。黑洞，如图中的黑洞，可以发射高能中微子。图片来源：NASA/CXC/M.Weiss随着"冰立方"和其他中微子实验收集到更多数据，科学家们也更善于区分三种中微子，研究人员最终将能够猜测来自黑洞的中微子是如何产生的。我们还想弄清楚，地球与这些遥远的天体物理中微子加速器之间的空间是否会根据粒子的质量对粒子进行不同的处理。与来自宇宙大爆炸的更常见的中微子相比，高能量的头中微子及其μ介子和电子表亲总是要少一些。但它们的数量足以帮助像我这样的科学家寻找宇宙中最强大的中微子发射器，并研究两者之间的无限空间。作者：道格-考恩（DougCowen），宾夕法尼亚州立大学物理教授、天文学和天体物理学教授。编译自/scitechdaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1435846.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1435846.htm

物理学家首次探测到由粒子对撞机制造的亚原子中微子

物理学家首次探测到由粒子对撞机制造的亚原子中微子这种粒子在1956年首次被发现，并在使恒星燃烧的过程中发挥了关键作用。这一发现有望帮助物理学家了解宇宙中最丰富的粒子的性质。这项工作还可以揭示出宇宙中微子的情况，这些中微子会长途跋涉并与地球发生碰撞，为了解宇宙的遥远部分提供了一个窗口。这是"前向搜索实验"（FASER）的最新成果，这是一个由国际物理学家小组设计和建造的粒子探测器，安装在瑞士日内瓦的欧洲核子研究理事会（CERN）。在那里，FASER检测由欧洲核子研究中心的大型强子对撞机产生的粒子。加州大学欧文分校粒子物理学家和FASER合作项目共同发言人乔纳森-冯（JonathanFeng）说："我们从一个全新的来源--粒子对撞机当中发现了中微子，在那里你有两束粒子以极高的能量砸在一起。"他发起了这个项目，UCI和21个合作机构的80多名研究人员参与其中。FASER粒子探测器位于欧洲核子研究中心大型强子对撞机的地下深处，大部分是用欧洲核子研究中心其他实验的备件建造的。信用：照片由欧洲核子研究中心提供欧洲核子研究中心的粒子物理学家布莱恩-彼得森周日代表FASER在意大利举行的第57届RencontresdeMoriond弱电相互作用和统一理论会议上宣布了这些结果。中微子是由已故UCI物理学家和诺贝尔奖得主FrederickReines在近70年前共同发现的，是宇宙中最丰富的粒子，"对建立粒子物理学的标准模型非常重要，"FASER联合发言人JamieBoyd说。"但是在对撞机上产生的中微子从未被实验所探测到。"自从Reines和UCI物理学和天文学教授HankSobel等人的开创性工作以来，物理学家研究的大多数中微子都是低能量的中微子。但是FASER检测到的中微子是在实验室中产生的最高能量的中微子，与深空粒子在我们的大气层中引发巨大的粒子雨时发现的中微子相似。Boyd说："它们能以我们无法了解的方式告诉我们关于深空的情况。大型强子对撞机中的这些非常高能量的中微子对于理解粒子天体物理学中真正令人兴奋的观察结果非常重要。"FASER本身在粒子探测实验中是新的和独特的。与欧洲核子研究中心的其他探测器相比，如ATLAS，它有几层楼高，重达数千吨，而FASER大约只有一吨，可以整齐地放在欧洲核子研究中心的一个小侧隧道内。而且，它只花了几年时间就利用其他实验的备件进行设计和建造。UCI实验物理学家戴夫-卡斯帕说："中微子是大型强子对撞机上更大的实验无法直接探测到的唯一已知粒子，所以FASER的成功观测意味着对撞机的全部物理学潜力终于被开发出来了。"除了中微子，FASER的另一个主要目标是帮助识别构成暗物质的粒子，物理学家认为暗物质包括宇宙中的大部分物质，但他们从未直接观察到。FASER尚未发现暗物质的迹象，但随着大型强子对撞机将在几个月后开始新一轮的粒子对撞，该探测器已经准备好记录任何出现的暗物质。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1350507.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1350507.htm

科学家借增强现实技术 模拟了相互作用粒子间量子纠缠的新方法

科学家借增强现实技术模拟了相互作用粒子间量子纠缠的新方法在2022年8月3日发表于《美国国家科学院院刊》（PNAS）上的一篇文章中，科学家们介绍了一种通过增强现实技术来模拟相互作用的粒子间的量子纠缠的新方法。SCITechDaily指出，计算分子电子的集体行为，对于材料性质的预测是相当必要的。有朝一日，此类预测或帮助科学家创造出新的药物、或具有理想品质（比如超导性）的新材料。PC版：https://www.cnbeta.com/articles/soft/1325741.htm手机版：https://m.cnbeta.com/view/1325741.htm

物理学家成功模拟相互作用量子粒子系统中的超级扩散

物理学家成功模拟相互作用量子粒子系统中的超级扩散这项工作是TCD-IBM博士前奖学金项目的首批成果之一，该项目是最近设立的，IBM在三一学院联合指导博士生的同时，还聘用博士生作为员工。该论文最近发表在著名的《自然》杂志《NPJ量子信息》上。IBM是令人兴奋的量子计算领域的全球领导者。这项研究中使用的早期量子计算机由27个超导量子比特组成（量子比特是量子逻辑的构件），物理上位于IBM位于纽约约克城高地的实验室内，并在都柏林进行远程编程。量子计算是目前最令人兴奋的技术之一，预计在未来十年内将逐渐接近商业应用。除了商业应用，量子计算机还能帮助解决一些令人着迷的基本问题。都柏林圣三一大学和IBM的团队就解决了这样一个有关量子模拟的问题。新成立的圣三一量子联盟（TrinityQuantumAlliance）主任约翰-戈尔德（JohnGoold）教授是这项研究的负责人，他在解释这项工作的意义和量子模拟的总体理念时说"一般来说，模拟由许多相互作用的成分组成的复杂量子系统的动力学问题，对传统计算机来说是一项艰巨的挑战。考虑到这一特定设备上的27个量子位。在量子力学中，这样一个系统的状态是由一个称为波函数的对象来进行数学描述的。要使用标准计算机来描述这个对象，就需要在内存中存储大量的系数，而这些系数的需求是随着量子比特数量的增加而呈指数级增长的；在这个模拟案例中，大约需要1.34亿个系数。""当系统增长到300个比特时，要描述这样一个系统，所需的系数将超过可观测宇宙中的原子数量，而任何经典计算机都无法精确捕捉系统的状态。换句话说，我们在模拟量子系统时会碰壁。使用量子系统模拟量子动力学的想法可以追溯到美国诺贝尔物理学奖得主理查德-费曼，他提出量子系统最好使用量子系统模拟。原因很简单--你自然会利用量子计算机是由波函数描述的这一事实，从而规避了存储状态所需的指数级经典资源"。那么，研究小组究竟模拟了什么呢？Goold教授继续介绍说："一些最简单的非三维量子系统是自旋链。这些系统由被称为自旋的小磁体连接而成，模仿更复杂的材料，用于理解磁性。我们对一种叫做海森堡链的模型很感兴趣，尤其对自旋激发如何在整个系统中传输的长时间行为感兴趣。在这种长时限制下，量子多体系统进入流体力学体系，传输由描述经典流体的方程来描述。""我们对一种特殊的机制很感兴趣，在这种机制中，由于基础物理学受卡尔达-帕里斯-张方程（Kardar-Parisi-Zhangequation）的支配，会出现一种叫做超扩散的现象。该方程通常描述表面或界面的随机增长，如暴风雪中雪的高度如何增长，咖啡杯在布上的污渍如何随时间增长，或绒毛火如何增长。这种传播被称为超扩散传输。这种传输会随着系统规模的增大而变得越来越快。令人惊奇的是，量子动力学中也出现了支配这些现象的方程，我们能够利用量子计算机来验证这一点。这是这项工作的主要成就。"IBM-Trinity博士前期学者内森-基南（NathanKeenan）是该项目的编程人员，他向我们讲述了量子计算机编程所面临的一些挑战。他说："量子计算机编程的最大问题是在存在噪声的情况下进行有用的计算。在芯片级执行的运算并不完美，而且计算机对来自实验室环境的干扰非常敏感。因此，总是希望尽量缩短有用程序的运行时间，因为这将缩短这些错误和干扰发生并影响结果的时间。"IBM英国和爱尔兰研究院院长胡安-贝尔纳贝-莫雷诺（JuanBernabé-Moreno）说："IBM在推动量子计算技术方面有着悠久的历史，不仅带来了数十年的研究成果，还提供了最大、最广泛的商业量子计划和生态系统。我们与都柏林圣三一学院通过量子科学与技术硕士和博士项目开展的合作就体现了这一点，我很高兴这项合作已经取得了可喜的成果。"随着世界进入量子模拟的新时代，令人欣慰的是，都柏林圣三一学院的量子物理学家站在最前沿--为未来的设备编程。量子模拟是由约翰-古尔德（JohnGoold）教授创立并领导的新成立的三位一体量子联盟的核心研究支柱，该联盟拥有五家创始工业合作伙伴，包括IBM、微软、Algorithmiq、Horizon和MoodysAnalytics。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1388299.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1388299.htm

揭开幽灵粒子的秘密：科学家借助超新星研究中微子的奇异特性

揭开幽灵粒子的秘密：科学家借助超新星研究中微子的奇异特性用超新星揭开中微子之谜现在，俄亥俄州立大学的研究人员在8月15日发表在《物理评论快报》（PhysicalReviewLetters）杂志上的一项研究中，建立了一个新的框架，详细说明了超新星--预示着恒星坍缩死亡的大爆炸--如何被用作研究中微子自我相互作用如何导致宇宙发生巨大变化的有力工具。这项研究的第一作者、俄亥俄州立大学物理学研究生张宝文说："中微子与典型物质的相互作用率非常小，因此很难探测到它们，也很难测试它们的任何特性。这就是为什么我们必须利用天体物理学和宇宙学来发现它们的有趣现象。"中微子被认为对早期宇宙的形成非常重要，尽管科学家们已经了解到中微子的来源有很多，比如核反应堆或垂死恒星的内部，但中微子仍然让科学家们感到困惑。但是，通过计算中微子的自我相互作用将如何影响来自超新星1987A（现代观测到的最近的超新星）的中微子信号，研究人员发现，当中微子确实与自身相互作用时，它们会形成一种紧密耦合的流体，这种流体会在相对论流体力学下膨胀，相对论流体力学是物理学的一个分支，研究流体如何以两种不同的方式之一对固体物体产生影响。中微子外流理论在所谓的"爆裂外流"情况下，研究人员的理论是，就像在太空真空中打开一个高度加压的气球会向外推送能量一样，爆裂产生的中微子流体会向各个方向运动。第二种情况被描述为"风外流"，想象一个有许多喷嘴的高度增压气球，中微子以更恒定的流速逸出，类似于稳定风的喷射。虽然风外流理论更有可能发生在自然界中，但如果爆发的情况得以实现，科学家们就能看到从超新星发射出的新的可观测中微子特征，从而对中微子自相互作用产生前所未有的敏感性。了解这些机制如此重要的原因之一是，如果中微子是作为一种流体在行动，那就意味着它们是作为一个集体在一起行动。如果中微子作为一个集体的特性与单独个体不同，那么超新星的物理特性也会发生变化。但是，这些变化究竟是仅由爆发情况还是外流情况引起的，还有待观察。挑战与未来展望超新星的动力学是复杂的，但这一结果是有希望的，因为通过相对论流体力学，我们知道在理解超新星如何工作的道路上有一个岔路口。不过，科学家们还需要做进一步的研究，才能排除超新星内部也发生爆发的可能性。然而，尽管还存在不确定性，这项研究在回答中微子从超新星喷出时究竟如何散射这一存在了几十年之久的天体物理学问题上仍是一个巨大的里程碑，该研究的合著者、俄亥俄州立大学物理学和天文学教授约翰-比科姆（JohnBeacom）说。这项研究发现，在爆发的情况下，即使使用来自SN1987A的稀少中微子数据和保守的分析假设，也有可能对中微子自相互作用产生前所未有的敏感性。比科姆说："35年来，这个问题基本上一直没有得到解决。"因此，尽管我们无法彻底解决中微子如何影响超新星的问题，但我们感到兴奋的是，我们能够向前迈出实质性的一步。"接下来，研究小组希望他们的工作能成为进一步研究中微子自相互作用的垫脚石。然而，由于银河系每个世纪只发生两三次超新星，研究人员很可能要再等几十年才能收集到足够多的新中微子数据来证明他们的想法。张说："我们一直在祈祷另一颗银河系超新星能尽快在某个地方发生，但我们能做的最好的事情就是在它发生之前，尽可能地在我们已知的基础上再接再厉。"...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1379015.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1379015.htm