量子场论预测结果首获实验证实

量子场论预测结果首获实验证实纠缠是一种量子现象，其中两个或多个粒子的属性以某种方式相互关联，人们无法单独描述单个粒子的性质，只能描述整体系统的性质。粒子的纠缠最终决定了材料的性质，但人们却很难理解“纠缠”。据最新一期《自然》杂志报道，奥地利因斯布鲁克大学和奥地利科学院量子光学和量子信息研究所研究人员开创了一种新方法，首次通过实验证实了量子场论的预测，该方法可显著提高对量子材料中纠缠的研究和理解。

开创性实验测量地球自转对量子纠缠的影响

开创性实验测量地球自转对量子纠缠的影响萨格纳克干涉仪2公里长的光纤缠绕在边长1.4米的方形铝制框架上。图片来源：奥地利维也纳大学光学萨格纳克干涉仪在测量旋转时已经非常灵敏，但是基于量子纠缠的干涉仪具有进一步提高这种灵敏度的潜力。量子纠缠是一种现象，其中两个或多个粒子共享一种状态，即使它们被远距离分开，其中一个粒子的测量也会影响另一个粒子的状态。研究团队建造了一个巨大的光学萨格纳克干涉仪，并在数小时内将噪声保持在低而稳定的水平。这使得他们能够检测到足够高质量的纠缠光子对，相比以前的光学萨格纳克干涉仪，旋转精度提高了1000倍。在一项实验室实验中，科学家们将纠缠光子（红色方块）送入一个干涉仪（如图），该干涉仪的灵敏度足以测量地球的自转。马尔科-迪维塔在实际实验中，两个纠缠光子在巨大线圈上缠绕的2公里长的光纤内传播，实现了一个有效面积超过700平方米的干涉仪。针对地球自转，研究人员还设计了一个巧妙的方案：将光纤分成两个等长的线圈，并通过一个光学开关将它们连接起来。通过打开和关闭开关，可有效地根据需要取消旋转信号，并延长大型设备的稳定性。这种方式就像“欺骗”光，让它认为处于一个非旋转的宇宙中。利用这项实验，研究人员观察到了地球自转对最大纠缠双光子态的影响。这证实了爱因斯坦狭义相对论和量子力学中描述的旋转参考系和量子纠缠之间的相互作用。研究人员表示，该研究结果和方法将为进一步提高基于量子纠缠的传感器旋转灵敏度奠定基础，可能会为未来通过时空曲线测试量子纠缠行为的实验开辟道路。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1435041.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1435041.htm

纠缠增强传感技术为先进量子传感器的研发和进步打下了基础

纠缠增强传感技术为先进量子传感器的研发和进步打下了基础因斯布鲁克物理学家将链中的所有粒子相互纠缠，产生了所谓的挤压量子态。资料来源：StevenBurrows和雷伊小组/JILA现在，由克里斯蒂安-罗斯（ChristianRoos）领导的因斯布鲁克大学和奥地利科学院量子光学与量子信息研究所（IQOQI）的科学家们展示了如何利用产生纠缠的特殊方法来进一步提高光学原子钟功能不可或缺的测量精度。"量子系统的观测总是受到一定统计不确定性的影响。"ChristianRoos团队的JohannesFranke解释说："这是量子世界的本质决定的。"纠缠可以帮助我们减少这些误差"。在美国博尔德JILA理论家安娜-玛丽亚-雷伊的支持下，因斯布鲁克的物理学家们在实验室里对纠缠粒子集合的测量精度进行了测试。研究人员使用激光来调节排列在真空室中的离子之间的相互作用，并将它们纠缠在一起。"相邻粒子之间的相互作用会随着粒子间距离的增加而减弱。因此，我们利用自旋交换相互作用，让系统表现得更有集体性，"因斯布鲁克大学理论物理系的拉斐尔-考布吕格尔解释说。因此，链中的所有粒子都相互纠缠，产生了所谓的挤压量子态。物理学家以此证明，通过将51个离子与单个粒子纠缠在一起，测量误差大约可以减半。在此之前，纠缠增强传感主要依赖于无限的相互作用，这就限制了它只适用于某些量子平台。"因斯布鲁克量子物理学家通过实验证明，量子纠缠使传感器更加灵敏。"克里斯蒂安-罗斯说："我们在实验中使用了一种光学转变，原子钟也采用了这种转变。这项技术可以改善目前使用原子钟的领域，如卫星导航或数据传输。此外，这些先进的时钟还能为寻找暗物质或确定基本常数的时间变化等研究提供新的可能性。"克里斯蒂安-罗斯和他的团队现在希望在二维离子群中测试这种新方法。目前的研究成果发表在《自然》（Nature）杂志上。在同一期杂志上，研究人员利用中性原子发表了非常相似的结果。在因斯布鲁克进行的研究得到了奥地利科学基金FWF和奥地利蒂罗尔工业联合会等机构的资助。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1380631.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1380631.htm

中国科大首次实现光子的分数量子反常霍尔态

中国科大首次实现光子的分数量子反常霍尔态成果示意图。16个非线性“光子盒”阵列囚禁的微波光子强相互作用形成分数量子反常霍尔态。霍尔效应是指当电流通过置于磁场中的材料时，电子受到洛伦兹力的作用，在材料内部产生垂直于电流和磁场方向的电压。反常霍尔效应是指无需外部磁场的情况下观测到相关效应。分数量子霍尔态展现出非平庸的多体纠缠，对其研究所衍生出的拓扑序、复合费米子等理论成果逐渐成为多体物理学的基本模型。与此同时，分数量子霍尔态可激发出局域的准粒子，这种准粒子具有奇异的分数统计和拓扑保护性质，有望成为拓扑量子计算的载体。传统的量子霍尔效应实验研究采用“自顶而下”的方式，即在特定材料的基础上，利用该材料已有的结构和性质实现制备量子霍尔态。通常情况下，需要极低温环境、极高的二维材料纯净度和极强的磁场，对实验要求较为苛刻。此外，传统“自顶而下”的方法难以对系统微观量子态进行单点位独立地操控和测量，一定程度上限制了其在量子信息科学中的应用。人工搭建的量子系统结构清晰，灵活可控，是一种“自底而上”研究复杂量子物态的新范式。其无需外磁场，通过变换耦合形式即可构造出等效人工规范场；通过对系统进行高精度可寻址的操控，可实现对高集成度量子系统微观性质的全面测量，并加以进一步可控的利用。这类技术被称为量子模拟，是“第二次量子革命”的重要内容，有望在近期应用于模拟经典计算困难的量子系统并达到“量子计算优越性”。据介绍，此前，国际上已经基于其开展了一些合成拓扑物态、研究拓扑性质的量子模拟工作。然而，由于以往系统中耦合形式和非线性强度的限制，人们一直未能在二维晶格中为光子构建人工规范场。为解决这一重大挑战，研究团队在国际上自主研发并命名了一种新型超导量子比特Plasmonium，打破了目前主流的Transmon（传输子型）量子比特相干性与非简谐性之间的制约，用更高的非简谐性提供了光子间更强的排斥作用。进一步，团队通过交流耦合的方式构造出作用于光子的等效磁场，使光子绕晶格的流动可积累Berry（贝里）相位，解决了实现光子分数量子反常霍尔效应的两个关键难题。同时，这样的人造系统具有可寻址、单点位独立控制和读取，以及可编程性强的优势，为实验观测和操纵提供了新的手段。在该项工作中，研究人员观测到了分数量子霍尔态独有的拓扑关联性质，验证了该系统的分数霍尔电导。同时，他们通过引入局域势场的方法，跟踪了准粒子的产生过程，证实了准粒子的不可压缩性质。《科学》杂志审稿人高度评价这一工作，认为这一工作“是利用相互作用光子进行量子模拟的重大进展”“一种新颖的局域单点控制和自底而上的途径”。诺贝尔物理学奖得主FrankWilczek评价，这种“自底而上”、用人造原子构建哈密顿量的途径是一个“非常有前途的想法”，这是一个令人印象深刻的实验，为基于任意子的量子信息处理迈出了重要一步。沃尔夫奖获得者PeterZoller评价，“这在科学和技术上都是一项杰出的成就”“实现这样的目标是多年来全球顶级实验室竞争的量子模拟的圣杯之一”。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1430083.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1430083.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

用于中子实验和量子信息科学的先进钻石传感器

用于中子实验和量子信息科学的先进钻石传感器艺术家的渲染图说明了贝克小组将开发的氮空隙钻石传感器。内部网格线代表了激光在钻石内的路径--进入的光束（较粗的红线）在钻石传感器内反复反射，直到它遇到切角出现（较细的红线）。图片由YasmineSteele为伊利诺伊州物理学提供。资料来源：伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校格兰杰工程学院伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的核物理小组正在寻找中子的新物理学证据，中子是电中性粒子，通过一种称为强力的相互作用将原子核固定在一起。教师和研究人员正在参加橡树岭国家实验室的nEDM实验，该实验将测量中子的电偶极矩，这一特性使中子尽管是中性的，但却能与电场相互作用。一个精确的测量将约束扩展当前粒子物理学标准模型的理论。为了实现这一目标，研究人员必须准确地测量非常强的电场的微妙变化。物理学教授道格拉斯-贝克（DouglasBeck）获得了能源部的资助，以开发基于氮空穴金刚石的传感器，这种材料在低温下的量子特性使其对电场异常敏感。他的研究小组已经表明，这种材料可以测量强电场，该奖项将使研究人员能够构建准备用于nEDM实验的传感器。此外，该材料的量子特性使其成为量子信息科学的一个有希望的候选者。研究人员还将探索这些潜在的应用。贝克解释说，化学上添加的氮空位（或NV）杂质使钻石具有不寻常的电场敏感性。这些杂质是带有一个额外的氮原子和一个空洞[或空位]的区域，而这些空位通常是在碳原子的位置。当材料被冷却到绝对零度以上不到20度时，这些杂质形成一个对电场有反应的量子系统。这是一个相当不寻常的特性，因为没有多少系统对电场有反应，这使得NV钻石变得特别。当NV系统在特定的量子状态下被制备时，它可以变得更加敏感。研究人员在冷却该系统后，没有让它停留在最低的能量状态，而是形成了一个最低和次低能量状态的量子叠加，称为暗态，因为它不与光相互作用而得名。"在某种意义上，这个名字是为了暗示它对与环境的相互作用具有免疫力，"贝克说。"因为它的寿命很长，它有着非常鲜明的能量，非常准确地告诉我们电场有多大。"贝克的研究小组已经证明，这种现象使NV钻石能够测量强电场，该奖项将使研究人员能够在此基础上开发可靠、坚固的传感器。这将涉及到将传感器包装成易于与用于控制它们的激光器连接的单元，并将背景噪音的影响降至最低。贝克说，他们还在研究一种叫做动态解耦的量子技术，这将使他们能够有效地扭转实验不完善的影响。这将使已经很精确的电场测量变得更加精确。该研究的另一个目标是探索在量子信息科学中使用NV钻石的建议。暗态的长寿命和对环境噪声的弹性使它成为一个有前途的量子传感和量子存储器的平台。许多这样的应用取决于将量子系统置于拥有海森堡原理所允许的最小不确定性的挤压状态，目前已经有几个关于在NV钻石中创造挤压态的建议，贝克的小组将调查其可行性。这项工作将得到能源部核物理项目中的量子地平线计划三年内65万美元的支持。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1359593.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1359593.htm