量子混杂：与黑洞相媲美的化学反应

量子混杂：与黑洞相媲美的化学反应然而，莱斯大学理论家彼得-沃林（PeterWolynes）和伊利诺伊大学香槟分校的合作者的最新研究表明，分子在扰乱量子信息方面可以像黑洞一样强大。他们结合黑洞物理学和化学物理学的数学工具，证明量子信息扰乱发生在化学反应中，几乎可以达到与黑洞相同的量子力学极限。这项研究成果在线发表在《美国国家科学院院刊》上。Wolynes说："这项研究解决了化学物理学中一个长期存在的问题，即量子信息在分子中的扰乱速度有多快。当人们考虑两个分子结合在一起的反应时，他们认为原子只进行单一的运动，即形成一个键或断开一个键。但从量子力学的角度来看，即使是一个非常小的分子也是一个非常复杂的系统。就像太阳系中的轨道一样，分子也有大量可能的运动方式--我们称之为量子态。当发生化学反应时，关于反应物量子态的量子信息会变得混乱，我们想知道信息混乱是如何影响反应速率的。"张成浩（左）和SohangKundu。图片来源：BillWiegand/伊利诺伊大学香槟分校提供的张成浩照片；SohangKundu提供的Kundu照片为了更好地理解量子信息是如何在化学反应中被扰乱的，科学家们借用了一种通常用于黑洞物理学的数学工具，即时序外相关器（OTOCs）。"OTOC实际上是在55年前的一个非常不同的背景下发明的，当时它们被用来研究超导体中的电子如何受到杂质干扰的影响，"Wolynes说。"它们是超导理论中使用的一种非常特殊的物体。接下来，物理学家在20世纪90年代研究黑洞和弦理论时也使用了它们。"OTOCs测量的是在某一时刻对量子系统的某一部分进行调整会对其他部分的运动产生多大影响--让人们深入了解信息在整个分子中传播的速度和效率。它们是莱普诺夫指数的量子类似物，莱普诺夫指数用于测量经典混沌系统的不可预测性。伊利诺伊大学香槟分校的化学家马丁-格鲁贝莱（MartinGruebele）是这项研究的合著者之一，他是美国国家科学基金会资助的莱斯-伊利诺伊联合缺陷适应中心（Rice-IllinoisCenterforAdaptingFlawsasFeatures）的成员。他介绍说："化学家对化学反应中的扰动非常矛盾，因为要达到反应目标，扰动是必要的，但它也会扰乱对反应的控制。了解分子在什么情况下会扰乱信息，在什么情况下不会扰乱信息，可以让我们更好地控制反应。了解OTOCs基本上可以让我们设定限制，什么时候这种信息真的会消失，不受我们控制，反之，什么时候我们仍然可以利用它来获得可控的结果。"PeterWolynes（左起）、NancyMakri和MartinGruebele。图片来源：Wolynes的照片由GustavoRaskosky/莱斯大学提供；Makri的照片由NancyMakri提供；Gruebele的照片由FredZwicky/伊利诺伊大学香槟分校提供。在经典力学中，粒子必须具有足够的能量来克服能量障碍才能发生反应。然而，在量子力学中，即使粒子不具备足够的能量，它们也有可能"隧穿"这一障碍。对OTOC的计算表明，在低温条件下，隧穿占主导地位的低活化能化学反应几乎可以在量子极限上扰乱信息，就像黑洞一样。南希-马克里（NancyMakri）也是伊利诺伊香槟分校的化学家，她利用自己开发的路径积分法研究了当简单的化学反应模型嵌入一个更大的系统（可能是大分子自身的振动或溶剂）时会发生什么情况，并倾向于抑制混沌运动。Makri说："在另一项研究中，我们发现大环境往往会让事情变得更有规律，并抑制我们所说的影响。因此，我们计算了与大环境相互作用的隧道系统的OTOC，我们看到的是，扰动被熄灭了--行为发生了很大变化。"研究成果的一个实际应用领域是限制如何利用隧道系统构建量子计算机的量子比特。我们需要尽量减少相互作用的隧道系统之间的信息干扰，以提高量子计算机的可靠性。这项研究还与光驱动反应和先进材料设计有关。Gruebele说："我们有可能将这些想法扩展到这样的过程中：在这样的过程中不会只在一个特定的反应中进行隧穿，而是会有多个隧穿步骤，因为这就是涉及到电子传导的过程，例如，很多新型软量子材料，如用于制造太阳能电池和类似材料的过氧化物。"编译来源：ScitechDaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1427285.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1427285.htm

揭开量子之谜：钽元素如何增强量子比特的性能

揭开量子之谜：钽元素如何增强量子比特的性能科学家们发现，超导金属钽可以显着提高量子计算机中量子比特的性能。通过使用X射线光电子能谱，他们发现量子比特上的氧化钽层是不均匀的，这促使进一步研究如何修改这些界面以提高整体设备性能。相干时间是确定一个量子比特能够保存量子数据的时间的指标，使其成为一个关键的性能指标。研究人员最近的一项启示表明，在超导量子比特中使用钽会增强其功能。然而，其根本原因仍然是未知的--直到现在。来自功能纳米材料中心（CFN）、国家同步辐射光源II（NSLS-II）、量子优势联合设计中心（C2QA）和普林斯顿大学的科学家们通过解码钽的化学特性调查了这些量子比特性能更好的根本原因。这项工作的结果最近发表在《高级科学》杂志上，将为未来设计更好的量子比特提供关键知识。CFN和NSLS-II是美国能源部（DOE）科学办公室的用户设施，位于DOE的布鲁克海文国家实验室。C2QA是布鲁克海文领导的国家量子信息科学研究中心，普林斯顿大学是其主要合作伙伴。寻找合适的成分钽是一种独特的、多功能的金属。它密度大，硬度高，而且容易加工。钽还具有高熔点和抗腐蚀能力，使它在许多商业应用中都很有用。此外，钽是一种超导体，这意味着它在冷却到足够低的温度时没有电阻，因此可以携带电流而没有任何能量损失。基于钽的超导量子比特已经展示了超过半毫秒的创纪录的长寿命。这比用铌和铝制造的量子比特的寿命长五倍，这些量子比特目前被部署在大规模量子处理器中。使用X射线光电子能谱对氧化钽（TaOx）进行表征。资料来源：布鲁克海文国家实验室这些特性使钽成为构建更好的量子比特的优秀候选材料。尽管如此，改进超导量子计算机的目标仍因缺乏对限制量子比特寿命的理解而受阻，这一过程称为退相干。通常认为介电损耗的噪声和微观来源有影响；然而，科学家们不确定究竟为什么以及如何。普林斯顿大学电气与计算机工程副教授、C2QA材料推力负责人NathaliedeLeon解释说：“本文的工作是两项平行研究之一，旨在解决量子比特制造中的重大挑战。没有人提出一个微观的、原子的损失模型来解释所有观察到的行为，然后能够证明他们的模型限制了特定的设备。这需要精确和定量的测量技术，以及复杂的数据分析。”令人惊讶的结果为了更好地了解量子比特退相干的来源，普林斯顿大学和CFN的科学家们在蓝宝石衬底上生长和化学处理了钽薄膜。然后，他们将这些样品带到NSLS-II的光谱软光束线（SST-1和SST-2），使用X射线光电子能谱(XPS)研究在表面形成的氧化钽。XPS使用X射线将电子踢出样品，并提供有关样品表面附近原子的化学性质和电子状态的线索。科学家们假设，这种氧化钽层的厚度和化学性质在决定量子位相干性方面发挥了作用，因为与量子位中更常用的铌相比，钽的氧化层更薄。“我们在光束线上测量了这些材料，以便更好地了解正在发生的事情，”NSLS-II软X射线散射和光谱计划的首席光束线科学家AndrewWalter解释说。“人们假设氧化钽层相当均匀，但我们的测量表明它根本不均匀。当你发现一个你意想不到的答案时，它总是更有趣，因为那是你学到东西的时候。”该团队在钽的表面发现了几种不同种类的氧化钽，这引发了一系列关于如何创造更好的超导量子比特的新问题。例如是否可以修改这些接口以提高整体设备性能，哪些修改会带来最大的好处，什么样的表面处理可以用来减少损失，等等。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1366591.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1366591.htm

超导光机械研究迎来突破：机械振荡器技术的量子飞跃

超导光机械研究迎来突破：机械振荡器技术的量子飞跃超导机电系统的扫描电子显微镜图像。资料来源：AmirYoussefi（EPFL）过去十年来，科学家们在机械系统中产生量子现象方面取得了巨大进步。十五年前看似不可能的事情如今已成为现实，因为研究人员成功地在宏观机械物体中产生了量子态。通过将这些机械振荡器与光子（被称为"光机械系统"）耦合，科学家们已经能够将它们冷却到接近量子极限的最低能级。他们还设法"挤压"它们，进一步降低它们的振动，并使它们相互缠结。这些进步为量子传感、量子计算中的紧凑存储、量子引力的基本测试，甚至暗物质的寻找带来了新的机遇。操作光机械系统的困境为了在量子体系中有效地运行光机械系统，科学家们面临着两难选择。一方面，机械振荡器必须与环境适当隔离，以尽量减少能量损耗；另一方面，它们必须与其他物理系统（如电磁谐振器）良好耦合，以便对其进行控制。要实现这一平衡，就必须最大限度地延长振荡器的量子态寿命，而这一寿命会受到环境热波动和振荡器频率不稳定性的影响，即该领域所称的"退相干"。从引力波探测器中使用的巨型反射镜到高真空中的微小被困粒子，这在各种系统中都是一个长期存在的挑战。与超导量子比特或离子阱等其他技术相比，当今的光机电系统仍然显示出较高的退相干率。EPFL的突破：超低量子退相干现在，洛桑联邦理工学院托比亚斯-基彭伯格实验室的科学家们通过开发一种超导电路光机电平台解决了这一问题，该平台在保持大的光机电耦合的同时显示出超低量子退相干，从而实现了高保真量子控制。这项研究成果于8月10日发表在《自然-物理》杂志上。领导该项目的博士生阿米尔-尤塞菲（AmirYoussefi）说："简单地说，我们展示了有史以来在机械振荡器中实现的最长量子态寿命，它可用作量子计算和通信系统中的量子存储元件。这是一项重大成就，影响着量子物理学、电子工程和机械工程领域的众多受众。"关键要素：真空间隙鼓头电容器这项突破的关键要素是"真空间隙鼓头电容器"，这是一种由悬浮在硅基板沟槽上的铝薄膜制成的振动元件。该电容器是振荡器的振动元件，同时也构成了一个谐振微波电路。通过一种新颖的纳米制造技术，研究小组大大降低了鼓头谐振器的机械损耗，实现了前所未有的热退相干速率，仅为20赫兹，相当于7.7毫秒的量子态寿命--这是机械振荡器中实现的最长寿命。结果和意义热诱导退相干的显著降低使研究人员能够使用光机械冷却技术，从而使量子态在基态占据的保真度达到令人印象深刻的93%。此外，研究小组还实现了低于运动零点波动的机械挤压，其值为-2.7dB。"这种控制水平使我们能够观察到机械挤压态的自由演化，并在2毫秒的较长时间内保持其量子行为，这要归功于机械振荡器中仅为0.09Hz的超低纯去相率，"参与研究的ShingoKono说。"这种超低量子退相干不仅提高了宏观机械系统量子控制和测量的保真度，而且同样有利于与超导量子比特的对接，并将系统置于适合量子引力测试的参数体系中，"研究团队的另一位成员马赫迪-切格尼扎德（MahdiChegnizadeh）说，"与超导量子比特相比，该平台的存储时间要长得多，因此是量子存储应用的理想候选者。"...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1376919.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1376919.htm

研究人员证明"自旋量子比特"可以存储数据长达两毫秒 比之前的基准长100倍

研究人员证明"自旋量子比特"可以存储数据长达两毫秒比之前的基准长100倍这一成就比之前同一量子处理器中所谓的"相干时间"的基准要长100倍，相干时间是指量子比特在日益复杂的计算中可以被操纵的时间。"更长的相干时间意味着你有更多的时间来存储你的量子信息--这正是你在进行量子操作时需要的，"博士生阿曼达-赛德豪斯女士说，她在理论量子计算方面的工作促成了这项成就。"相干时间基本上是告诉你，在你失去你的量子比特中的所有信息之前，你可以在你想做的任何算法或序列中做多久的所有操作。"IngvildHansen和AmandaSeedhouse在进行量子计算实验的实验室里在量子计算中，你能保持运动的自旋越多，信息在计算过程中就越有可能得到保持。当自旋量子比特停止旋转时，计算就会崩溃，每个量子比特所代表的数值都会丢失。2016年，新南威尔士大学的量子工程师通过实验证实了扩展一致性的概念。让事情变得更加困难的是，未来的工作量子计算机如果要解决人类的一些最困难的问题，例如寻找有效的疫苗、模拟天气系统和预测气候变化的影响，就需要跟踪数百万个量子比特的值。去年年底，新南威尔士大学的同一个团队解决了一个困扰工程师几十年的技术问题，即如何在不产生更多热量和干扰的情况下操纵数百万的量子比特。该研究小组没有增加数以千计的微小天线来用磁波控制数以百万计的电子，而是想出了一个办法，通过引入一种叫做介电谐振器的晶体，只用一根天线来控制芯片中的所有量子比特。他们在《科学进展》杂志上发表了这些发现。这解决了空间、热量和噪音的问题，这些问题会随着越来越多的量子比特的上线而不可避免地增加，当量子比特不仅像传统的二进制计算机那样代表1或0，而且同时代表两者时，利用一种被称为量子叠加的现象，就可以进行令人费解的计算。全局控制与个别控制然而，这一概念验证的成就仍有一些挑战需要解决。首席研究员IngvildHansen女士与Seedhouse女士一起，在《物理评论B》、《物理评论A》和《应用物理评论》杂志上发表的一系列论文中解决了这些问题。能够只用一根天线控制数百万个量子比特是一个很大的进步。但是，虽然一次控制数百万个量子比特是一个伟大的壮举，但工作中的量子计算机还需要对它们进行单独操纵。如果所有的自旋量子比特都以几乎相同的频率旋转，它们就会有相同的数值。我们如何才能单独控制它们，使它们在计算中代表不同的数值？"首先我们从理论上表明，我们可以通过连续旋转量子比特来提高相干时间，"汉森女士说。"如果你想象一个马戏团的表演者旋转盘子，当它们还在旋转时，表演可以继续。以同样的方式，如果我们连续驱动量子比特，它们可以保持信息更长时间。我们表明，这种'穿衣'的量子比特的相干时间超过230微秒[2.3亿分之1秒]"。在该团队表明相干时间可以用所谓的'穿衣'量子比特来延长后，下一个挑战是使协议更加稳健，并表明全局控制的电子也可以被单独控制，以便它们可以保持复杂计算所需的不同数值。这是通过创建团队称之为"SMART"的量子比特协议来实现的--正弦波调制、始终旋转和定制。他们没有让量子比特转圈，而是操纵它们像节拍器一样来回摇晃。然后，如果对任何一个量子比特单独施加一个电场--使其脱离共振--它就可以进入与它的邻居不同的节奏，但仍以同样的节奏运动。"把它想象成两个荡秋千的孩子，他们几乎是同步前进和后退的，"赛德豪斯女士说。"如果我们给他们中的一个人推一把，我们可以让他们在相反的两端达到弧线的终点，所以当另一个人现在是1的时候，一个人可以是0。"其结果是，不仅可以在全局控制（磁力）的影响下单独（电子）控制一个量子比特，而且如前所述，相干时间大大延长，适合于量子计算。"我们已经展示了一种简单而优雅的方式，可以同时控制所有的量子比特，而且还带有更好的性能，"该团队的高级研究人员之一杨亨利博士说。"SMART协议将是全面量子计算机的一条潜在路径。"该研究团队由新南威尔士大学分拆出来的公司Diraq的首席执行官和创始人AndrewDzurak教授领导，该公司正在开发可以使用标准硅芯片制造的量子计算机处理器。接下来的步骤"汉森女士说："我们的下一个目标是，在我们的实验论文中用一个量子位展示了我们的概念证明之后，用两个量子位的计算来证明它的有效性。"在那之后，我们想表明我们也可以为少数几个量子比特做这件事，以表明该理论在实践中被证明。"...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1332017.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1332017.htm

华南师大物理学院量子计算团队发表重要研究成果

华南师大物理学院量子计算团队发表重要研究成果华南师大物理学院今日官微消息，近期，华南师大物理学院/原子亚原子结构与量子调控教育部重点实验室/广东省高等学校物质结构与相互作用基础研究卓越中心/广东省量子调控工程与材料重点实验室/粤港量子物质联合实验室薛正远研究员、颜辉教授和朱诗亮教授团队在量子计量研究中取得重要研究进展：在超导电路中实验实现超高精度的哈密顿参数估计。该研究成果于6月18日发表在物理学国际顶级期刊《PhysicalReviewLetters》上。据悉，团队在超导电路中通过实验证明了超高精度的哈密顿参数估计，超导Transmon量子比特具有相干时间长、微波控制简单、读出高保真等优点，为高精度测量提供了良好的实验平台。另外，团队进一步在超导电路中证明了极性和方位角的哈密顿参数估计，其测量精度超过标准量子极限16.0dB，实现了超高的量子计量增益。团队的工作为超导电路在量子计量领域的发展开辟了一条新的途径。

量子技术新突破：科学家们延长了Qubit的寿命

量子技术新突破：科学家们延长了Qubit的寿命科学家们已经证明，他们可以通过改变周围晶体的结构使其不那么对称来延长分子量子比特的寿命。这种不对称性可以保护量子比特不受噪音影响，使其保持信息的时间比放在对称结构中要长五倍。资料来源：麻省理工学院/丹-劳伦扎研究小组获得了10微秒的相干时间（量子比特保持信息的时间），即百万分之一秒，相比之下，分子量子比特在对称晶体主机中的相干时间为2微秒。这些发现发表在《物理评论X》杂志上，由来自麻省理工学院、美国能源部（DOE）阿贡国家实验室、西北大学、芝加哥大学和格拉斯哥大学的一组科学家完成。由阿贡管理的美国能源部国家量子科学研究中心（Q-NEXT）帮助资助了这项研究。背景量子比特是量子信息的基本单位，是传统计算比特的量子类似物。在噪声或干扰信号破坏信息之前，量子比特只能保持一段时间。延长信息保持稳定的时间长度，即所谓的相干时间，是量子信息科学的最大挑战之一。量子比特有不同的类型，其中一个是实验室设计的分子。分子量子比特是模块化的，这意味着它们可以很容易地从一个环境中移动并放置在另一个环境中。相比之下，其他类型的量子比特，如那些由半导体制成的量子比特，是高度固定在其环境中的。为什么这很重要较长的相干时间使得量子比特在计算、长距离通信以及医学、导航和天文学等领域的传感等应用中更加有用。因为相干时间可以通过改变量子比特的外壳或将其置于相对于外壳更不对称的位置来延长，所以不需要改变量子比特本身来实现更长的寿命。只需改变它的情况。麻省理工学院F.G.Keyes化学教授、论文合著者丹娜·弗里德曼说："分子化学使我们能够更换承载量子比特的晶体材料，并修改量子比特本身。加入这种新的控制水平是非常有用的。"这项研究的共同作者，格拉斯哥大学的萨姆·贝里斯说："这种变化只是通过改变宿主分子上的单个原子来实现的，这是你能得到的最小的变化之一，它引起了相干时间的五倍增强，这是一个很好的证明，你可以通过分子获得这种原子级的可调性。化学技术本质上提供了单原子水平的控制，这是很多现代技术中的一个梦想。"这种对称性破坏技术的有效性意味着分子量子比特可以在各种各样的环境中运行，甚至是那些不能减少噪音的环境。弗里德曼说："我们已经创造了一个新的手柄来修改分子系统中的相干性，"。"这种新发现的化学控制宿主环境的能力为分子量子比特的目标应用开辟了新的空间。""虽然与一些系统相比，10微秒可能听起来不是非常长，但我们没有做任何事情来减少噪声源。在我们测量的环境中，噪声是非常显著的。因此，即使那里有噪声，量子比特基本上看不到它，而我们为什么不直接删除噪声源呢？在实际情况下，并不总是能够在一个超纯的环境中工作。因此，拥有一个能在嘈杂环境中内在运行的量子比特可能是有利的。"细节该团队的长寿命量子比特是由附着在碳基分子上的铬基离子构成的。对于一个分子量子轨道来说，噪音的主要来源是其周围的磁场。磁场往往会扰乱量子比特的能级，而这些能级是对信息的编码。晶体的不对称性使量子比特免受潜在的破坏性磁场的影响，信息被保存得更久。除了改善量子比特的特性外，该团队还开发了一种数学工具，可以根据宿主晶体的结构准确预测任何分子量子比特的相干时间。"这对我们来说是令人难以置信的，非常令人兴奋的事情之一是这些系统可以在很短的时间内取得多大的进步，以及对宿主矩阵的一些修改可以获得相当大的改进。"贝里斯说。"这是一个重要的发展。能够精确调整一个量子比特的环境是分子量子比特的一个独特优势。"Q-NEXT主任和论文共同作者DavidAwschalom说，他也是阿贡高级科学家、研究和基础设施副院长、芝加哥大学普利兹克分子工程学院分子工程和物理学Liew家族教授，以及芝加哥量子交易所主任。"知道我们可以通过工程设计其环境来延长量子比特的寿命，为跨量子计算、传感和通信的应用开辟了新的可能性。"...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1333795.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1333795.htm