二维量子冻结：纳米粒子在两个运动维度上被冷却到量子基态

二维量子冻结：纳米粒子在两个运动维度上被冷却到量子基态物理学家正在研究真空中被激光捕获的玻璃纳米粒子，以探索量子世界的极限并确定经典物理学何时不再适用。这是ERC-Synergy项目Q-Xtreme的一部分，其中一个团队正在努力通过尽可能减少纳米粒子运动中储存的能量来实现量子基态。由LukasNovotny（苏黎世联邦理工学院）、MarkusAspelmeyer（维也纳大学）、OriolRomero-Isart（因斯布鲁克大学）和RomainQuidant（苏黎世）组成的团队正试图在ERC-Synergy项目Q-Xtreme中回答这一问题。实现这一目标的一个关键步骤是尽可能地减少纳米粒子运动中储存的能量，即把粒子冷却到所谓的量子基态。对运动的所有维度进行控制Q-Xtreme团队在纳米粒子的基态冷却方面已经合作了很长时间。在苏黎世和维也纳的几次实验中，在Gonzalez-Ballestero博士和因斯布鲁克大学的Romero-Isart教授的理论计算支持下，通过使用电子控制（主动反馈）抑制粒子运动或将粒子置于两个镜子之间（基于空腔的冷却），首次展示了纳米粒子的这种基态冷却。到目前为止，在实验中，只沿粒子运动的三个方向中的一个方向实现了基态，而沿另外两个方向的运动则是"热"的。带有实验装置的真空室将粒子悬浮在一个空腔内。腔体由两面镜子组成，镜子上有涂层，对红外光有极强的反射性。中间的圆柱形部分在其顶端有一个透镜，将红外激光聚焦到粒子被困住的地方。资料来源：JohannesPiotrowski奥地利科学院量子光学和量子信息研究所和因斯布鲁克大学理论物理系的冈萨雷斯-巴列斯特罗强调说："沿着一个以上的方向实现基态冷却是探索新型量子物理学的关键。但到目前为止，这一成就仍然难以实现，因为要使粒子位于其间的镜子与沿三个方向的某些运动有效地相互作用，这是一个挑战。所谓的"暗模效应"阻止了冷却到完全基态。"以不同的频率来实现目标现在，苏黎世联邦理工学院光子学实验室的研究首次成功实现了纳米粒子沿两个运动方向的基态冷却。一个比沙粒小约一千倍的玻璃球在高真空中与环境完全隔离，并由一束强聚焦的激光束照射，同时被冷却到接近绝对零度。基于因斯布鲁克团队的理论预测，瑞士物理学家们能够规避暗态问题。苏黎世联邦理工学院的LukasNovotny说："为了做到这一点，我们设计了粒子在两个方向振荡的不同频率，并仔细调整了激光的偏振。"这项发表在《自然-物理学》上的工作表明，有可能达到三个运动方向的最小能量状态。它还允许在两个方向上创建脆弱的量子态，这可用于创建超灵敏的陀螺仪和传感器。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1348059.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1348059.htm

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

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

超导纳米线：用于蛋白质离子检测的量子技术大突破

超导纳米线：用于蛋白质离子检测的量子技术大突破用超导纳米线计算单个蛋白质。背景和纳米线是在Photoshop中使用生成填充AI更改的。(人类胰岛素PDB:3I40）与传统探测器相比，超导纳米线探测器还能通过撞击能量区分大分子。这样就能更灵敏地检测蛋白质，并在质谱分析中提供更多信息。这项研究的结果最近发表在《科学进展》（ScienceAdvances）杂志上。质谱技术的进步在生命科学的许多领域，包括蛋白质研究、诊断和分析领域，对大分子的检测、识别和分析都非常有趣。质谱法通常用作一种检测系统--这种方法通常根据带电粒子（离子）的质量电荷比将其分离，并测量检测器产生的信号强度。这就提供了不同类型离子的相对丰度信息，因此也就提供了样品的组成信息。然而，传统的探测器只能对具有高冲击能量的粒子实现较高的探测效率和空间分辨率--一个国际研究小组利用超导纳米线探测器克服了这一限制。超导技术的创新应用在目前的研究中，由维也纳大学协调，与代尔夫特（SingleQuantum）、洛桑（EPFL）、阿尔梅勒（MSVision）和巴塞尔大学的合作伙伴组成的欧洲联合研究小组首次展示了在所谓的四极杆质谱法中使用超导纳米线作为蛋白质束的优秀探测器。来自待分析样品的离子被送入四极杆质谱仪进行过滤。维也纳大学物理系量子纳米物理学组的项目负责人马库斯-阿恩特（MarkusArndt）解释说："如果我们现在使用超导纳米线代替传统的探测器，我们甚至可以识别以低动能撞击探测器的粒子。这得益于纳米线探测器的特殊材料特性（超导性）。"维也纳大学SuperMaMa实验室外景。悬挂的镀金插件是辐射防护罩，超导纳米线探测器就安装在它后面：维也纳大学量子纳米物理学实验室这种探测方法的关键在于纳米线在极低的温度下进入超导状态，在这种状态下，纳米线失去电阻，允许无损电流流动。进入的离子激发超导纳米线，使其恢复到正常导电状态（量子转换）。在这一转变过程中，纳米线电特性的变化被解释为探测信号。第一作者马塞尔-施特劳斯（MarcelStrauß）说："通过我们使用的纳米线探测器，我们利用了从超导态到正常导电态的量子转变，因此可以比传统的离子探测器性能高出三个数量级"。事实上，纳米线探测器在极低的撞击能量下就能产生显著的量子产率，重新定义了传统探测器的可能性。"此外，采用这种量子传感器的质谱仪不仅可以根据分子的质量和电荷状态区分分子，还可以根据分子的动能对其进行分类。"马塞尔-施特劳斯（MarcelStrauß）说："这就提高了检测能力，并为获得更好的空间分辨率提供了可能。"纳米线探测器可以在质谱分析、分子光谱分析、分子偏转测量或分子量子干涉测量等需要高效率和高分辨率的领域找到新的应用，尤其是在低冲击能量条件下。合作与资助单量子公司（SingleQuantum）领导超导纳米线探测器的研究，洛桑联邦理工学院（EPFL-Lausanne）的专家提供超冷电子器件，MSVISION公司是质谱分析领域的专家，巴塞尔大学的专家负责化学合成和蛋白质功能化。维也纳大学凭借其在量子光学、分子束和超导方面的专业知识，将所有组件整合在一起。这项工作由欧盟委员会资助，是SuperMaMa项目（860713）的一部分，该项目致力于研究用于质谱分析和分子分析的超导探测器。戈登和贝蒂-摩尔基金会（Gordon&BettyMooreFoundation）（10771）为分析修饰蛋白质提供了资助。编译来源：ScitechDaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1404053.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1404053.htm

德中科学家合作在半导体纳米结构中实现新型量子比特

德中科学家合作在半导体纳米结构中实现新型量子比特研究小组成功地在半导体纳米结构中产生了量子位。研究人员利用一种特殊的能量转换，在量子点（半导体的一个微小区域）中产生了一种叠加态，其中一个电子空穴同时拥有两个不同的能级。这种叠加态是量子计算的基础。以前，要诱导这种状态，必须使用能够发射太赫兹范围光线的大型自由电子激光器。遗憾的是，这种波长太长，无法将光束准确聚焦到量子点上。不过，该团队利用两个经过仔细校准的短波长激光脉冲实现了激发。以杭州浙江大学的刘锋为首的研究小组与波鸿鲁尔大学的阿尔内-路德维希博士领导的研究小组以及其他来自中国和英国的研究人员一起，在2023年7月24日在线出版的《自然-纳米技术》杂志上报告了他们的研究成果。研究人员成功地在一种半导体纳米结构中创建了一种量子叠加态，它可能成为量子计算的基础。诀窍在于：两个光学激光脉冲可作为一个太赫兹激光脉冲。(波鸿研究团队：Hans-GeorgBabin（左）和ArneLudwig）。资料来源：RUB，Marquard为了实现这种叠加态，研究人员利用了辐射奥格转变。在这一过程中，一个电子与一个空穴重新结合，部分能量以光子形式释放，部分能量转移到另一个电子上。电子空穴--换句话说，缺失的电子--也会发生同样的过程。2021年，一个研究小组首次成功地专门激发了半导体中的辐射奥杰转变。在当前的项目中，研究人员证明了辐射奥杰过程可以被相干驱动：他们使用了两束不同的激光，其强度相互之间有特定的比例。通过第一束激光，他们激发了量子点中的电子-空穴对，产生了由两个空穴和一个电子组成的准粒子。利用第二束激光，他们触发了辐射奥杰过程，将一个空穴提升到一系列更高的能量状态。研究人员利用微调激光脉冲在空穴基态和高能态之间产生叠加。这样，空穴就同时存在于这两种状态中。这种叠加是量子比特的基础，与传统比特不同，量子比特不仅存在于"0"和"1"两种状态，而且还存在于这两种状态的叠加中。汉斯-格奥尔格-巴宾（Hans-GeorgBabin）在波鸿鲁尔大学由安德烈亚斯-维克（AndreasWieck）教授领导的应用固体物理教席的阿尔内-路德维希（ArneLudwig）博士的指导下，制作了用于实验的高纯度半导体样品。在此过程中，研究人员提高了量子点的集合均匀性，并确保了所生产结构的高纯度。这些措施为与严俊勇和刘峰合作的中国合作伙伴进行实验提供了便利。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1374897.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1374897.htm

揭开纳米级奇迹的面纱：碳基量子技术

揭开纳米级奇迹的面纱：碳基量子技术Empa研究人员及其国际合作者成功地将碳纳米管电极连接到单个原子级精确纳米带上。资料来源：Empa要实现这些优势，我们需要所谓的量子材料，它们能显示出显著的量子物理效应。石墨烯就是这样一种材料。这种碳的二维结构形式具有不同寻常的物理特性，例如超高的拉伸强度、导热性和导电性，以及某些量子效应。进一步限制这种已经是二维的材料，例如使其具有带状形状，就会产生一系列可控的量子效应。这正是MickaelPerrin团队在工作中所利用的：几年来，在MichelCalame的领导下，Empa纳米界面传输实验室的科学家们一直在开展石墨烯纳米带的研究。Perrin解释说："石墨烯纳米带甚至比石墨烯本身更令人着迷。通过改变石墨烯纳米带的长度和宽度、边缘形状以及添加其他原子，可以赋予它们各种电学、磁学和光学特性"。纳米带的特性因其宽度和边缘形状而异。资料来源：Empa极致精确--精确到单个原子研究前景广阔的纳米带并非易事。纳米带越窄，其量子特性就越明显，但同时也更难同时获得单个纳米带。要了解这种量子材料的独特特性和可能的应用，并将它们与集体效应区分开来，就必须这样做。在最近发表在《自然-电子学》（NatureElectronics）杂志上的一项新研究中，Perrin和Empa研究员张健以及一个国际团队首次成功地接触到了单个长的、原子精度高的石墨烯纳米带。张建说："仅有9个碳原子宽的石墨烯纳米带宽度仅为1纳米。为了确保只接触到一条纳米带，研究人员采用了类似尺寸的电极：他们使用的碳纳米管直径也只有1纳米。"对于如此精细的实验来说，精度是关键。首先是源材料。研究人员通过与RomanFasel领导的Empa'snanotech@Surfaces实验室的长期紧密合作，获得了石墨烯纳米带。"RomanFasel和他的团队长期从事石墨烯纳米带的研究工作，可以从单个前驱体分子中以原子精度合成多种不同类型的石墨烯纳米带，"Perrin解释说。前驱体分子来自位于美因茨的马克斯-普朗克聚合物研究所。正如推动技术进步通常所要求的那样，跨学科是关键，不同的国际研究小组都参与其中，各自发挥专长：碳纳米管是由北京大学的一个研究小组培育出来的，为了解释研究结果，Empa的研究人员与华威大学的计算科学家进行了合作。具有原子级精确边缘的极窄带表现出强烈的量子效应，令研究人员特别感兴趣。资料来源：Empa用纳米管接触单个碳带给研究人员带来了巨大的挑战。张解释说："碳纳米管和石墨烯纳米带分别生长在不同的基底上。首先，纳米管需要转移到设备基底上，并与金属电极接触。然后，我们用高分辨率电子束光刻技术对其进行切割，将其分成两个电极。最后，我们将纳米带转移到同一基板上。精度是关键：即使是基板最轻微的旋转也会大大降低成功接触的概率。能够使用位于吕施里孔的IBM研究院宾尼格和罗赫尔纳米技术中心的高质量基础设施，对于测试和实施这项技术至关重要。"从计算机到能量转换器科学家们通过电荷传输测量确认了实验的成功。由于量子效应通常在低温下更为明显，因此我们在接近绝对零度的高真空环境下进行了测量。但他很快又补充了石墨烯纳米带的另一个特别有前景的特性："由于这些纳米带的尺寸极小，我们预计它们的量子效应将非常强大，甚至在室温下也能观察到。"这位研究人员说，这将使我们能够设计和运行主动利用量子效应的芯片，而无需复杂的冷却基础设施。参与该项目的华威大学教授HatefSadeghi补充说："这个项目能够实现单个纳米带器件，不仅可以研究基本量子效应，如电子和声子在纳米尺度上的行为方式，还可以利用这种效应在量子开关、量子传感和量子能量转换等方面进行应用。"石墨烯纳米带尚未准备好投入商业应用，仍有许多研究工作要做。在后续研究中，张和Perrin的目标是在单个纳米带上操纵不同的量子态。此外，他们还计划在串联的两条纳米带的基础上创建设备，形成所谓的双量子点。这样的电路可以作为量子计算机中最小的信息单位--量子比特。此外，Perrin最近还获得了欧洲研究理事会（ERC）的启动资助（StartingGrant）和瑞士国家科学基金会（SNSF）的教授奖学金（SccellenzaProfessorialFellowship），他计划将纳米带用作高效能源转换器。在苏黎世联邦理工学院的就职演讲中，他描绘了这样一个世界：我们可以利用温差发电，同时几乎不会损失任何热能--这将是一个真正的质的飞跃。国际合作多个研究小组为该项目做出了重要贡献。石墨烯纳米带是由RomanFasel领导的Empa纳米技术@表面实验室根据美因茨马克斯-普朗克聚合物研究所的KlausMüllen团队提供的前体分子生长出来的。这些纳米带由MichelCalame领导的Empa纳米级界面传输实验室的成员集成到纳米加工设备中，MickaelPerrin的研究小组也在其中。这项特殊研究所需的精确排列的高质量碳纳米管由北京大学张进研究小组提供。最后，为了解释研究结果，Empa的研究人员在HatefSadeghi的指导下，与华威大学的计算科学家进行了合作。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1386665.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1386665.htm