克服量子的限制 研究人员找到一种控制电子自旋的新方法

克服量子的限制研究人员找到一种控制电子自旋的新方法罗切斯特大学的一个研究小组在物理学副教授约翰-尼科尔的领导下，在《自然-物理学》杂志上发表了一篇论文，概述了操纵硅量子点--微小的、纳米级的半导体，具有显著特性的电子自旋的新方法，作为操纵量子系统信息的一种方式。尼科尔说："这项研究的结果为基于半导体量子点中的电子自旋的量子比特的相干控制提供了一个有希望的新机制，这可能为开发一个实用的硅基量子计算机铺平道路。"罗切斯特大学的研究人员通过控制硅量子点中电子的自旋，开发了一种在量子系统中操纵信息的新方法。硅中的电子在其自旋（向上和向下箭头）和谷态（蓝色和红色轨道）之间经历了一种被称为自旋-谷态耦合的现象。当研究人员对硅中的电子施加电压（蓝色光芒）时，他们利用自旋-谷耦合效应，可以操纵自旋和谷态，控制电子自旋。资料来源：罗切斯特大学插图/MichaelOsadciw使用量子点作为量子比特一台普通计算机由数十亿个晶体管组成，称为比特。另一方面，量子计算机是基于量子比特，也被称为量子比特。与普通的晶体管不同，它可以是"0"（关闭）或"1"（打开），而量子比特受量子力学规律的支配，可以同时是"0"和"1"。科学家们早就考虑使用硅量子点作为量子比特；控制量子点中电子的自旋将提供一种操纵量子信息传输的方法。量子点中的每个电子都有内在的磁性，就像一个小小的条形磁铁。科学家把这称为"电子自旋"--与每个电子相关的磁矩--因为每个电子是一个带负电的粒子，其行为就像它在快速旋转一样，而正是这种有效的运动引起了磁性。电子自旋是在量子计算中传输、存储和处理信息的一个有希望的候选者，因为它提供了长的相干时间和高的门控保真度，并且与先进的半导体制造技术兼容。量子比特的相干时间是指量子信息因与噪声环境相互作用而丢失之前的时间；长相干时间意味着执行计算的时间更长。高的门控保真度意味着研究人员要进行的量子操作会完全按照他们的要求进行。然而，使用硅量子点作为量子比特的一个主要挑战是控制电子自旋。控制电子自旋控制电子自旋的标准方法是电子自旋共振（ESR），它涉及到对量子比特施加振荡的射频磁场。然而，这种方法有几个局限性，包括需要在低温环境下产生和精确控制振荡磁场，而大多数电子自旋量子比特是在低温环境下工作的。通常情况下，为了产生振荡磁场，研究人员通过电线发送电流，这就会产生热量，从而干扰低温环境。尼科尔和他的同事概述了一种控制硅量子点中电子自旋的新方法，该方法不依赖于振荡电磁场。该方法基于一种被称为"自旋-谷粒耦合"的现象，当硅量子点中的电子在不同的自旋和谷粒状态之间转换时，就会发生这种现象。电子的自旋态指的是它的磁性，而谷态指的是与电子的空间轮廓有关的另一种属性。研究人员应用一个电压脉冲来利用自旋-谷耦合效应，操纵自旋和谷态，控制电子自旋。"这种通过自旋-谷耦合进行相干控制的方法，可以实现对量子比特的普遍控制，并且可以在不需要振荡磁场的情况下进行，而振荡磁场是ESR的一个限制，"尼科尔说。"这使我们有了一条新的途径，可以使用硅量子点来操纵量子计算机中的信息。"...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1346405.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1346405.htm

康奈尔大学研究人员挑战量子绝缘体的长期观点

康奈尔大学研究人员挑战量子绝缘体的长期观点这一发现揭示了量子反常霍尔绝缘体中的电子动力学，并有助于解决长达数十年的关于电流如何在更一般的量子霍尔绝缘体中流动的争论。这些见解将为下一代量子设备拓扑材料的开发提供参考。研究小组的论文最近发表在《自然-材料》（NatureMaterials）杂志上。论文的第一作者是马特-弗格森（MattFerguson），22年博士，目前是德国马克斯-普朗克固体化学物理研究所的博士后研究员。量子霍尔效应该项目由文理学院物理学助理教授、论文的资深作者KatjaNowack领导，起源于所谓的量子霍尔效应。量子霍尔效应于1980年首次被发现，当磁场作用于特定材料时，会引发一种不寻常的现象：大块样品的内部变成绝缘体，而电流沿外缘单向移动。电阻被量子化或限制为基本通用常数所定义的值，并下降为零。2013年首次发现的量子反常霍尔绝缘体通过使用磁化的材料实现了相同的效果。量子化仍然发生，纵向电阻消失，电子沿着边缘加速而不耗散能量，有点像超导体。破除流行观念"电流沿边缘流动的图像可以很好地解释量子化是如何产生的。但事实证明，这并不是唯一能解释量子化的图景，"诺瓦克说。"自从拓扑绝缘体在本世纪初蔚为壮观地崛起以来，这种边缘图景就一直占据着主导地位。局部电压和局部电流的复杂性在很大程度上被遗忘了。实际上，这些情况可能比边缘图景所显示的要复杂得多"。目前已知只有少数材料是量子反常霍尔绝缘体。在他们的新工作中，诺瓦克研究小组重点研究了铬掺杂的碲铋锑--十年前首次观测到量子反常霍尔效应的也是这种化合物。该样品由宾夕法尼亚州立大学物理学教授尼廷-萨马尔特领导的合作者培育而成。为了扫描这种材料，诺瓦克和弗格森使用了他们实验室的超导量子干涉装置（SQUID），这是一种极其灵敏的磁场传感器，可以在低温下工作，探测到令人生畏的微小磁场。SQUID能有效地对电流流（产生磁场的原因）进行成像，然后将这些图像组合起来，重建电流密度。诺瓦克说："我们研究的电流非常非常小，因此测量难度很大。我们需要在低于一开尔文的温度下对样品进行良好的量化。我很自豪我们做到了这一点。"发现与未来影响当研究人员注意到电子在材料的主体中流动，而不是在边界边缘流动时，他们开始翻阅以前的研究结论。他们发现，在1980年量子霍尔效应被首次发现后的几年里，关于电子流发生的位置有很多争论，而大多数年轻的材料科学家都不知道这种争论。"我希望从事拓扑材料研究的新一代注意到这项工作，并重新展开辩论。很明显，我们甚至不了解拓扑材料中发生的一些非常基本的方面，"她说。"如果我们不了解电流是如何流动的，那么我们对这些材料究竟了解多少呢？回答这些问题可能也与制造更复杂的设备有关，例如将超导体与量子反常霍尔绝缘体耦合以产生更奇特物质状态的混合技术。"我很想知道我们观察到的现象是否适用于不同的材料系统。也许在某些材料中，电流的流动方式会有所不同，"诺瓦克说。"对我来说，这凸显了拓扑材料的魅力--它们在电学测量中的行为是由非常普遍的原理决定的，与微观细节无关。然而，了解微观尺度上发生了什么至关重要，这对我们的基本理解和应用都是如此。这种一般原理与细微差别的相互作用，使得拓扑材料的研究如此迷人和引人入胜"。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1392237.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1392237.htm

研究人员开发出一种利用磁子传输量子信息的新方法

研究人员开发出一种利用磁子传输量子信息的新方法HZDR的研究人员成功地在磁盘中产生了类似于波的激发--即所谓的磁子--来专门操纵碳化硅中原子大小的量子比特。这为量子网络中的信息传输开辟了新的可能性。图片来源：HZDR/MauricioBejarano为了满足这一需求，德累斯顿-罗森多夫亥姆霍兹中心（HZDR）的一个研究小组现在推出了一种传输量子信息的新方法：该小组通过利用磁子（磁性材料中的波状激起）的磁场来操纵量子比特（即所谓的量子比特），磁子发生在微观磁盘中。研究人员在《科学进展》（ScienceAdvances）杂志上发表了他们的研究成果。建造可编程的通用量子计算机是当代最具挑战性的工程和科学研究之一。这种计算机的实现为物流、金融和制药等不同行业领域带来了巨大潜力。然而，由于量子计算机技术在存储和处理信息时存在固有的脆弱性，因此阻碍了实用量子计算机的建造。量子信息被编码在量子比特中，而量子比特极易受到环境噪声的影响。微小的热波动（几分之一度）就可能完全破坏计算。这促使研究人员将量子计算机的功能分布在不同的独立构件中，以努力降低出错率，并利用这些构件的互补优势。"然而，这就带来了一个问题，即如何在模块之间传输量子信息，使信息不会丢失，"HZDR研究员、该刊物第一作者毛里西奥-贝哈拉诺（MauricioBejarano）说。"我们的研究正是在这个特定的利基上，在不同的量子模块之间传输通信。"目前，传输量子信息和寻址量子比特的既定方法是通过微波天线。这是Google和IBM在其超导芯片中使用的方法，也是在这场量子竞赛中处于领先地位的技术平台。"而我们则是通过磁子来寻址量子比特。磁子可被视为穿过磁性材料的磁激发波。这样做的好处是，磁子的波长在微米范围内，比传统微波技术的厘米波短得多。因此，磁子的微波足迹在芯片中花费的空间更少。HZDR小组研究了磁子与碳化硅晶体结构中硅原子空位形成的量子比特的相互作用，碳化硅是一种常用于大功率电子器件的材料。这类量子比特通常被称为自旋量子比特，因为量子信息是由空位的自旋状态编码的。但是，如何利用磁子来控制这类量子比特呢？"通常情况下，磁子是通过微波天线产生的。"贝哈拉诺解释说："这就带来了一个问题，即很难将来自天线的微波驱动与来自磁子的微波驱动分离开来。"为了将微波从磁子中分离出来，HZDR团队利用了一种在镍铁合金微观磁盘中可以观察到的奇特磁现象。"由于非线性过程，磁盘内的一些磁子具有比天线驱动频率低得多的频率。我们只用这些频率较低的磁子来操纵量子比特"。研究小组强调，他们还没有进行任何量子计算。不过，他们表明，完全用磁子处理量子比特从根本上是可行的。"迄今为止，量子工程界还没有意识到磁子可以用来控制量子比特，"Schultheiß强调说。"但我们的实验证明，这些磁波确实可以派上用场"。为了进一步发展他们的方法，研究小组已经在为未来的计划做准备：他们想尝试控制几个间距很近的单个量子比特，让磁子介导它们的纠缠过程--这是进行量子计算的先决条件。他们的设想是，从长远来看，磁子可以被直接电流激发，其精确度可以达到在量子比特阵列中专门针对单个量子比特。这样就可以将磁子用作可编程量子总线，以极其有效的方式寻址量子比特。虽然未来还有大量工作要做，但该研究小组的研究强调，将磁子系统与量子技术相结合，可以为未来开发实用量子计算机提供有益的启示。编译自:ScitechDaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1424810.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1424810.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

研究人员发明测量高维量子比特的有效方法

研究人员发明测量高维量子比特的有效方法传统的计算机比特将数据分类为1或0，与之相反，量子比特可以持有1、0或两者的值。这是由于叠加的原因，这种现象使几个量子状态同时存在。量子比特的"d"指的是可能被编码在一个光子上的各种级别或数值。传统的量子比特只有两个层次，但通过增加更多层次，它们就变成了量子比特。左起：Hsuan-HaoLu和JosephLukens在ORNL量子实验室工作。资料来源：GenevieveMartin/ORNL，美国能源部。来自瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）、普渡大学和美国能源部橡树岭国家实验室的研究人员最近完成了一对纠缠的八级量子比特的特征分析，它们形成了一个64维的量子空间，使以前的离散频率模式记录翻了四倍。他们的发现最近发表在《自然通讯》杂志上。"我们一直都知道有可能利用光子的颜色或光频率来编码10级或20级的量子，甚至更高，但问题是测量这些粒子非常困难，"ORNL的博士后研究助理Hsuan-HaoLu说。"这就是这篇论文的价值--我们发现了一种高效和新颖的技术，在实验方面相对容易做到。"当qudits被纠缠时甚至更难测量，这意味着无论它们之间的物理距离如何，它们都共享非经典的相关性。尽管有这些挑战，频率槽对，也就是两个在频率上纠缠在一起的光子形式的量子很适合携带量子信息，因为它们可以按照规定的路径通过光纤而不被其环境明显改变。"我们将最先进的频率槽对生产与最先进的光源结合起来，然后用我们的技术来描述高维量子纠缠，其精确程度是以前没有显示过的，"Wigner研究员和ORNL的研究科学家JosephLukens说。研究人员开始了他们的实验，将激光照射到一个微环谐振器上--这是一个由EPFL制造的圆形片上设备，旨在产生非经典光。这个强大的光子源占据了1平方毫米的空间--大小与一支削尖的铅笔的笔尖相当--并允许研究小组以量子频率梳的形式产生频率槽对。通常情况下，qudit实验需要研究人员构建一种称为量子门的量子电路。但在这种情况下，研究小组使用一个电光相位调制器来混合不同频率的光，并使用一个脉冲整形器来修改这些频率的相位。这些技术在普渡大学AndrewWeiner领导的超快光学和光纤通信实验室得到了广泛的研究，Lu在加入ORNL之前曾在那里学习。这些光学设备在电信行业很常见，研究人员随机进行这些操作，以捕捉许多不同的频率相关性。据Lu说，这个过程就像掷出一对六面骰子，并记录每个数字组合出现的次数--但现在骰子是相互纠缠在一起的。"这种涉及相位调制器和脉冲整形器的技术，在超快和宽带光子信号处理的经典背景下被大量追求，并被扩展到频率量子化的大道上，"Weiner说。为了向后推断哪些量子态产生的频率相关性是量子比特应用的理想选择，研究人员在一种叫做贝叶斯推理的统计方法的基础上开发了一个数据分析工具，并在ORNL进行计算机模拟。这项成就建立在该团队以前的工作基础上，重点是进行贝叶斯分析和重建量子状态。研究人员现在正在对他们的测量方法进行微调，为一系列的实验做准备。通过通过光纤发送信号，他们旨在测试量子通信协议，如远程传输，这是一种传输量子信息的方法，以及纠缠互换，这是纠缠两个先前不相关的粒子的过程。普渡大学的研究生KarthikMyilswamy计划将微环谐振器带到ORNL，这将使该团队能够在该实验室的量子局域网上测试这些能力。Myilswamy说："现在我们有一种方法可以有效地描述纠缠的频率量子，我们可以进行其他面向应用的实验。"...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1333675.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1333675.htm

东京大学研究人员实现"巨磁阻开关效应" 施加一个磁场改变高达250倍电阻

东京大学研究人员实现"巨磁阻开关效应"施加一个磁场改变高达250倍电阻根据日本东京大学公报，该校研究人员领衔的团队研制出一种通道长20纳米的锗半导体纳米通道器件，它属于半导体两端器件，拥有铁和氧化镁双层结构的电极，还添加了硼元素。研究人员观察到，通过给这种器件施加磁场能使其表现出电阻开关效应，外加磁场还使其实现了高达250倍的电阻变化率。研究人员给这种现象取名为“巨磁阻开关效应”。不过，目前仅能在20开尔文（约零下253摄氏度）的低温环境下观测到这种“巨磁阻开关效应”。研究团队下一步将致力于提高“巨磁阻开关效应”出现的温度，以便将其用于开发新型电子元器件等。基于电阻开关效应的电阻式随机存取存储器被视为最有竞争力的下一代非易失性存储器之一。传统的动态随机存取存储器是利用电容储存电荷多少来存储数据，其一大缺点是数据的易失性，电源意外切断时会丢失存储数据。而电阻式随机存取存储器是通过向器件施加脉冲电压产生电阻高低变化，以此表示二进制中的“0”和“1”，其存储数据不会因意外断电而丢失，是一种处于开发阶段的下一代内存技术。论文第一作者、东京大学研究生院工学系研究科教授大矢忍指出，新成果将来有望在电子领域得到应用，特别是用于神经形态计算以及开发下一代存储器、超高灵敏度传感器等新型器件。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1426368.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1426368.htm