科学实验首次寻找到"量子超化学"现象存在的直接证据

科学实验首次寻找到"量子超化学"现象存在的直接证据在量子尺度上会出现各种诡异的行为。原子可以同时以多种状态存在，纠缠在一起，以至于它们可以在任何距离上瞬间共享信息，或者穿越它们本不应该穿越的障碍。科学家们正试图利用这些现象来实现更强大的计算、通信系统和其他技术。现在，一个研究小组首次发现了先前预测的量子效应的直接证据，这种效应被称为超化学效应。它始于一种被称为玻色-爱因斯坦凝聚态的奇异物质状态，在这种状态下，一团原子被冷却到几乎绝对零度，使它们进入相同的量子态，并开始表现得像一个大原子。有人提出，哄骗处于这种状态的原子进行化学反应，会产生与通常不同的结果。在经典化学中，混合物中的原子会发生随机碰撞，每次碰撞都有可能使它们连接起来形成分子。但如果原子都处于相同的量子态，它们现在反而会一起行动。这项研究的首席研究员程钦说："不能再把化学反应看作是独立粒子之间的碰撞，这是一个集体过程。所有的粒子都在一起，作为一个整体进行反应"。共同通讯作者张振东（左）和程钦教授与帮助他们首次观察量子超化学的实验室设备在实验中，研究人员将铯原子冷却到所需的极端温度，然后将它们哄骗到相同的量子态。果然，这些原子似乎正在以一种类似超化学的方式形成分子。这一过程有一些不同于普通化学的结果。首先，由于原子是一起作用的，反应发生得更快--系统中的原子越多，反应速度就越快。研究小组说，最终生成的分子都具有相同的状态，这有助于比传统化学更可靠地生成大批量相同的分子。在这一过程中，研究小组还发现了一个奇怪现象的证据--三体相互作用比二体相互作用发生得更频繁。从本质上讲，三个原子会发生碰撞，其中两个原子连接起来形成分子，而第三个原子则以某种方式帮助这一过程。这一突破有助于为量子化学、量子计算和帮助科学家研究物理定律等新技术铺平道路。到目前为止，这项超级化学研究只在双原子分子中进行，但研究小组计划将这项工作扩展到更复杂的分子中。"我们所看到的与理论预测一致，"Chin说。"这是20年来的科学目标，所以这是一个非常激动人心的时代。"这项研究发表在《自然-物理》杂志上。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1375667.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1375667.htm

量子计算机以千亿亿次的慢镜头揭示化学反应

量子计算机以千亿亿次的慢镜头揭示化学反应VanessaOlayaAgudelo和ChristopheValahu博士在悉尼纳米科学中心用于实验的量子计算机前原子和分子的微观世界非常难以研究，这不仅是因为所有东西都非常小，还因为它们发生的速度远远超过了我们眼睛所能记录的速度。例如，化学键的形成和断裂以飞秒为单位，即四千万亿分之一秒。这使得我们很难准确理解一些关键过程中发生了什么。在这项新研究中，悉尼大学的研究人员使用量子计算机放慢了其中一个超快过程。他们目睹了单个原子在遇到称为锥形交叉点的几何结构时发生的情况，这种结构在光合作用等化学反应中很常见。几十年来，科学家们一直试图直接观察这些过程。研究小组利用困离子量子计算机，将这一问题映射到一个相当小的量子设备上，从而将这一过程放慢了惊人的1000亿倍。这使其达到了现有技术所能观测和测量的速度。这项研究的共同第一作者瓦内萨-奥拉亚-阿古德罗（VanessaOlayaAgudelo）说："在自然界中，整个过程在飞秒内就结束了。我们利用量子计算机建立了一个系统，可以将化学动力学从飞秒级放慢到毫秒级。这使我们能够进行有意义的观察和测量。这在以前是从未有过的。"虽然这听起来可能只是一种模拟，但研究小组表示，它更接近于一种受控环境实验，与观察飞机气流动力学的风洞一脉相承。这项研究的共同第一作者克里斯托夫-瓦拉胡（ChristopheValahu）博士说："我们的实验并不是对这一过程的数字近似--这是对量子动力学以我们可以观察到的速度展开的直接模拟观察。"利用量子计算机进行这类实验可以帮助科学家们更好地理解分子相互作用的快节奏世界，进而推动一系列领域的进步。奥拉亚-阿古德罗说："正是通过了解分子内部和分子之间的这些基本过程，我们才能在材料科学、药物设计或太阳能收集等领域开辟出一片新天地。它还有助于改善其他依赖分子与光相互作用的过程，例如烟雾是如何产生的，臭氧层是如何遭到破坏的。"这项研究发表在《自然-化学》杂志上。研究小组在下面的视频中介绍了这项工作。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1380287.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1380287.htm

剑桥科学家在新型二维材料中实现了长期追求的量子态稳定性

剑桥科学家在新型二维材料中实现了长期追求的量子态稳定性卡文迪什实验室的研究人员在六方氮化硼（hBN）中发现了原子缺陷在环境条件下的自旋相干性，这是量子材料领域的一项罕见成就。这项发表在《自然-材料》（NatureMaterials）上的研究强调，这些自旋可以用光来控制，对未来的量子技术（包括传感和安全通信）具有广阔的前景。研究结果还强调了进一步探索提高缺陷可靠性和延长自旋存储时间的必要性，凸显了氢化硼在推进量子技术应用方面的潜力。资料来源：埃莉诺-尼科尔斯，卡文迪什实验室自旋相干性是指电子自旋能够长期保持量子信息。这一发现意义重大，因为能够在环境条件下承载量子特性的材料相当罕见。发表在《自然-材料》（NatureMaterials）上的研究结果进一步证实，室温下可获得的自旋相干性比研究人员最初想象的要长。论文共同作者、卡文迪什实验室Rubicon博士后研究员CarmemM.Gilardoni说："研究结果表明，一旦我们在这些电子的自旋上写入某种量子态，这种信息就能存储约百万分之一秒，从而使这一系统成为一个非常有前景的量子应用平台。""这看起来似乎很短，但有趣的是，这个系统并不需要特殊的条件--它甚至可以在室温下存储自旋量子态，而且不需要大型磁铁"。六方氮化硼（hBN）是一种由一原子厚的层堆叠而成的超薄材料，有点像纸张。这些层通过分子间的作用力固定在一起。但有时，这些层内会出现"原子缺陷"，类似于晶体内部夹杂着分子。这些缺陷可以通过明确的光学转变吸收和发射可见光范围内的光，还可以作为电子的局部陷阱。由于hBN中存在这些"原子缺陷"，科学家们现在可以研究这些被困电子的行为方式。他们可以研究电子与磁场相互作用的自旋特性。真正令人兴奋的是，研究人员可以在室温下利用这些缺陷中的光来控制和操纵电子自旋。这一发现为未来的技术应用，尤其是传感技术的应用铺平了道路。不过，由于这是首次有人报告该系统的自旋相干性，因此在其成熟到足以用于技术应用之前，还有很多问题需要研究。科学家们仍在研究如何使这些缺陷变得更好、更可靠。他们目前正在探究我们能在多大程度上延长自旋存储时间，以及我们能否优化对量子技术应用非常重要的系统和材料参数，如缺陷的长期稳定性和该缺陷发出的光的质量。"与这一系统的合作向我们彰显了材料基础研究的力量。至于hBN系统，作为一个领域，我们可以在其他新材料平台中利用激发态动力学，用于未来的量子技术。"论文第一作者HannahStern博士说，她在卡文迪什实验室进行了这项研究，现在是英国皇家学会大学研究员兼曼彻斯特大学讲师。未来，研究人员将进一步开发该系统，探索从量子传感器到安全通信等多个不同方向。"每一个新的有前途的系统都将拓宽可用材料的工具包，而朝着这个方向迈出的每一步都将推动量子技术的可扩展实施。这些成果证实了层状材料有望实现这些目标，"领导该项目的卡文迪什实验室主任梅特-阿塔图雷（MeteAtatüre）教授总结道。编译来源：ScitechDaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1432414.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1432414.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

周期性驱动QD-Cavity混合系统的新理论打破量子边界

周期性驱动QD-Cavity混合系统的新理论打破量子边界研究人员为强耦合多量子比特系统开发了一种新的响应理论。这一突破解决了人们在理解周期性驱动的QD-Cavity混合系统时所面临的挑战。与微波光子强耦合的半导体量子点（QD）是研究光-物质相互作用的关键。在之前的研究中，研究小组利用高阻抗超导谐振腔实现了量子点-腔混合系统的强耦合。基于这种强耦合，研究小组进一步研究了周期性驱动的强耦合混合系统的电路量子电动力学（cQED）。DQD腔复合器件的光学显微照片。图片来源：GuSisi等人拍摄。在这项研究中，研究人员首先制备了一个集成了两个双量子点（DQD）的高阻抗谐振腔复合器件。通过探测双量子点-腔体混合系统在周期性驱动下的微波响应信号，他们发现现有的色散腔体读出理论由于耦合强度的增强而失效。因此，与现有理论相比，研究人员开发了一种新的响应理论，将空腔视为驱动系统的一部分。利用这一理论，他们成功地模拟和解释了实验中的信号，并进一步研究了周期性驱动下双DQD-空腔混合系统的情况。这项研究为理解周期性驱动的QD-空腔混合系统开辟了一条道路。此外，所建立的理论方法不仅适用于不同耦合强度的混合系统，还可以扩展到多量子比特系统。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1387295.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1387295.htm

研究人员控制玻色-爱因斯坦凝聚态波动 用创新冷却方法稳定量子实验

研究人员控制玻色-爱因斯坦凝聚态波动用创新冷却方法稳定量子实验维也纳理工大学（TUWien）现在已经证明，可以通过一种有趣的新方法实现这种冷却：玻色-爱因斯坦凝结物被分成两部分，既不是突然也不是特别缓慢，而是以一种非常特殊的时间动态来确保尽可能完美地防止随机波动。这样，本已极冷的玻色-爱因斯坦凝聚态的相关温度就可以大大降低。这对于量子模拟器来说非常重要，维也纳工业大学利用量子模拟器来深入了解以前的方法无法研究的量子效应。"我们在研究中使用量子模拟器，"MaximilianPrüfer说，他正在德国联邦科学基金会Esprit补助金的帮助下，在维也纳工业大学原子研究所研究新方法。"量子模拟器是一种系统，其行为由量子力学效应决定，可以很好地控制和监测。因此，这些系统可用于研究量子物理学的基本现象，而这些现象也会出现在其他量子系统中，但这些系统却不容易研究"。张甜甜和MaximilianPrüfer。图片来源：维也纳工业大学这意味着，一个物理系统实际上是用来了解其他系统的。这种想法在物理学中并不新鲜：例如，你也可以通过水波实验来了解声波，但水波更容易观察。马克西米利安-普吕费尔（MaximilianPrüfer）说："在量子物理学中，量子模拟器近年来已成为一种极为有用的多功能工具。实现有趣模型系统的最重要工具之一是极冷原子云，比如我们在实验室研究的那些原子云"。在目前发表在《物理评论X》上的这篇论文中，约尔格-施米德迈尔和马克西米利安-普吕费尔领导的科学家们研究了量子纠缠如何随时间演变，以及如何利用这一点实现比以前更冷的温度平衡。量子模拟也是最近启动的QuantA英才集群的核心课题，该集群正在研究各种量子系统。"越冷越好目前，限制这种量子模拟器适用性的决定性因素通常是其温度，马克西米利安-普吕费尔（MaximilianPrüfer）说："我们越能冷却冷凝物中有趣的自由度，就越能更好地利用它，也就能从中学到更多东西。"冷却的方法有很多种：例如，可以通过非常缓慢地增加气体体积来冷却气体。对于极冷的玻色-爱因斯坦凝聚态，通常会使用其他技巧：快速移除能量最高的原子，直到只剩下一组原子，这些原子具有相当均匀的低能量，因此温度较低。该研究的第一作者张甜甜说："但我们使用了一种完全不同的技术。我们制造了一个玻色-爱因斯坦凝聚态，然后通过在中间制造一个屏障将其分成两部分。最终位于屏障右侧和左侧的粒子数量是不确定的。由于量子物理定律，这里存在一定的不确定性。可以说，两边都处于不同粒子数量状态的量子物理叠加中。"张甜甜在维也纳量子科技中心博士学院的博士论文中研究了这一课题。马克西米利安-普吕费尔说："平均而言，正好有50%的粒子在左边，50%在右边。但量子物理学认为，粒子总是存在一定的波动。这种波动，即与预期值的偏差，与温度密切相关"。通过控制波动降温维也纳科技大学的研究团队能够证明：玻色-爱因斯坦凝聚态的极速或极慢分裂都不是最佳的。必须找到一种折中的方法，一种巧妙定制的动态分裂凝结物的方法，以尽可能好地控制量子波动，这个问题无法用传统计算机解决。但通过实验，研究小组能够证明：适当的分裂动力学可以用来抑制粒子数量的波动，而这反过来又会降低温度，从而达到最小化的目的。马克西米利安-普吕费尔解释说："这个系统中同时存在不同的温标，我们降低的是其中一个非常特殊的温标。因此，不能把它想象成一个整体温度明显变低的迷你冰箱。但我们要说的不是这个：抑制波动正是我们所需要的，这样我们就能比以前更好地把我们的系统用作量子模拟器。我们现在可以用它来回答以前无法回答的基本量子物理学问题。"编译来源：ScitechDaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1430565.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1430565.htm