超导连接：晶体条带和量子电子的行为

超导连接：晶体条带和量子电子的行为大多数材料中的电子之间的相互作用非常弱。但是，物理学家经常在电子相互作用强烈的材料中观察到有趣的特性。在这些材料中，电子经常集体表现为粒子，产生了"准粒子"。理化学研究所新兴物质科学中心的克里斯托弗-巴特勒说："一个晶体可以被认为是一个具有不同物理定律的替代宇宙，允许不同的基本粒子生活在那里。"巴特勒及其同事研究了一种晶体，其中一层镍原子被安排在一个方形晶格中，就像一个棋盘。单个电子的质量很小，但在这种晶体中，它们看起来是无质量的准粒子。研究小组开始使用扫描隧道显微镜来研究这种奇怪的效果，但事实证明这具有挑战性。这台核桃大小的显微镜被安置在一个真空室里，周围是一屋子的设备，这些设备创造了与月球表面相当的低温和超低压力。巴特勒说："为了检验这些晶体的原始表面，我们试图裂开一个小片，就像地质学家那样。但是我们必须在真空中做这件事，而且这些晶体非常脆，在这种环境下容易爆炸变成灰尘。"经过无数次的尝试，他们成功了，用显微镜扫描片状物，用一个类似唱机的小针，在它上面加电压，改变电压使他们能够探测到不同的特征。理化学研究所的物理学家观察到，电子（顶部两层）在镍晶体的方形原子晶格（底部一层）上方形成条纹状排列。研究小组证实，镍原子是以棋盘式的排列方式排列的。但令他们惊讶的是，电子打破了这种模式，令其以条纹的形式排列（如图）。这就是所谓的非对称性--系统中的相互作用使电子显示的对称性低于底层材料。巴特勒将这一发现比作站在池塘边扔进一个小石子。他说："你会期望看到圆形的涟漪，所以如果你看到涟漪出现在平行线上，你就会知道发生了一些奇怪的事情。它需要一个解释"。这样的实验将帮助物理学家测试关于具有许多粒子相互作用的量子系统行为的不同拟议理论，例如高温超导体。例如，这些新结果符合日本名古屋大学该研究的共同作者所提出的"密度波"框架的预测。"许多相互作用的电子的行为即使用超级计算机也很难预测，"巴特勒说。"但至少我们可以在显微镜下观察它们在做什么。"...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1354243.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1354243.htm

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

"量子雪崩" - 可能彻底改变微电子学和超级计算机的现象

"量子雪崩"-可能彻底改变微电子学和超级计算机的现象对"量子雪崩"的新研究揭开了绝缘体到金属转变的神秘面纱，发现了电阻开关的新见解，并为微电子学带来了潜在的突破。对于需要多大的电场等问题，科学家们展开了激烈的争论，比如布法罗大学凝聚态物质理论家JongHan。韩博士是文理学院物理学教授，他是一项研究的第一作者，该研究采用新方法解答了绝缘体到金属转变的一个长期谜团。这项题为"通过隙内梯形态的量子雪崩导致的相关绝缘体塌缩"的研究于今年五月发表在《自然-通讯》（NatureCommunications）上。布法罗大学物理学教授JongHan是一项新研究的第一作者，该研究有助于解开一个长期存在的物理学谜团，即绝缘体如何通过电场转变为金属，这一过程被称为电阻开关。图片来源：布法罗大学DouglasLevere电子通过量子路径运动Han说，金属和绝缘体的区别在于量子力学原理，量子力学原理规定电子是量子粒子，它们的能级在具有禁带间隙的带中运动。自20世纪30年代以来，朗道-齐纳公式一直是确定将绝缘体的电子从低能段推向高能段所需电场大小的蓝图。但此后几十年的实验表明，材料所需的电场要比朗道-齐纳公式估计的小得多，大约小1000倍。"因此，存在着巨大的差异，我们需要一个更好的理论，"Han说。解决差异为了解决这个问题，Han决定考虑一个不同的问题：当已经在绝缘体上带的电子被推动时会发生什么？Han利用计算机模拟了电阻开关，其中考虑到了上带电子的存在。结果表明，一个相对较小的电场就能引发下带和上带之间间隙的塌缩，为电子在带间上下移动创造量子路径。Han打了个比方："想象一些电子在二楼移动。当地板被电场倾斜时，电子不仅开始移动，而且以前被禁止的量子跃迁打开了，地板的稳定性突然崩溃，使不同楼层的电子上下流动。那么，问题就不再是底层的电子如何跳起来，而是更高的楼层在电场作用下的稳定性"。这一想法有助于解决朗道-齐纳公式中的一些差异。它还在一定程度上澄清了关于由电子本身引起的绝缘体到金属的转变或由极热引起的转变的争论。Han的模拟表明，量子雪崩并非由热量引发。然而，从绝缘体到金属的完全转变要等到电子和声子（晶体原子的量子振动）的温度达到平衡时才会发生。Han说，这表明电子和热转换的机制并不是相互排斥的，而是可以同时发生的。"因此，我们找到了一种理解整个电阻开关现象某些角落的方法，"Han说。"但我还认为这是一个很好的起点。"研究可改进微电子学这项研究的共同作者是哥伦比亚大学工程与应用科学学院电子工程系教授兼系主任乔纳森-伯德（JonathanBird）博士，他提供了实验背景。他的团队一直在研究在低温下呈现出新状态的新兴纳米材料的电学特性，这可以让研究人员学到很多关于支配电学行为的复杂物理知识。伯德说："虽然我们的研究侧重于解决新材料物理学的基本问题，但我们在这些材料中揭示的电学现象最终可能为新的微电子技术奠定基础，例如用于人工智能等数据密集型应用的紧凑型存储器。"潜在应用这项研究对于试图模拟人类神经系统电刺激的神经形态计算等领域也至关重要。"不过，我们的重点主要是理解基本现象学，"伯德说。自论文发表以来，Han已经设计出一种分析理论，与计算机的计算结果非常吻合。不过，他还有更多的研究要做，比如量子雪崩发生所需的确切条件。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1376849.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1376849.htm

科学家发现完美2D超薄材料 造出全新晶体管

科学家发现完美2D超薄材料造出全新晶体管但在此之前，科学家们必须首先找到一种方法，在保持其完美结晶形态的同时，在工业标准硅片上设计这种材料。近期，麻省理工学院（MIT）的工程师们似乎找到了一个可能的解决方案，他们将研究成果发表在了《自然》杂志上。据悉，该团队开发出了一种“非外延单晶生长”方法，可以在现有的工业硅晶圆上生长出纯净的、无缺陷的二维材料，以制造出更小的晶体管。通过新方法，研究小组用一种叫做过渡金属二硫化物（TMD）的2D材料制造了一个简单的功能晶体管，这种材料在纳米尺度上的导电性比硅更好。麻省理工学院机械工程副教授JeehwanKim说，“我们希望我们的技术能够开发基于二维半导体的高性能下一代电子设备。我们已经开启了一种利用2D材料来追赶摩尔定律的方法。”一般而言，为生产2D材料，研究人员通常采用一种手工工艺，即从大块材料中小心地剥离原子般薄的薄片，就像剥洋葱层一样。但大多数块状材料都是多晶的，包含多个随机方向生长的晶体。当一种晶体与另一种晶体相遇时，“晶界”起到了电屏障的作用。任何流过一个晶体的电子在遇到不同方向的晶体时都会突然停止，从而降低材料的导电性。即使在剥离2D薄片之后，研究人员也必须搜索薄片中的“单晶”区域，这是一个繁琐且耗时的过程，很难应用于工业规模。在上述新研究中，研究人员发现了制造二维材料的其他方法，即通过在蓝宝石晶片上生长它们。蓝宝石是一种具有六角形原子图案的材料，可促使二维材料以相同的单晶方向组装。新的“非外延单晶生长”方法不需要剥离和搜索二维材料的薄片，并可使晶体向同一方向生长。研究小组据此制造了一个简单的TMD晶体管，其电性能与相同材料的纯薄片一样好。研究人员表示，未来或可制造出小于几纳米的器件，这将改变摩尔定律的规律。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1340041.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1340041.htm

量子飞跃：用混合计算揭开复杂分子的秘密

量子飞跃：用混合计算揭开复杂分子的秘密现在，美国能源部（DOE）阿贡国家实验室和芝加哥大学普利兹克分子工程学院（PME）和化学系的研究人员已经探索了使用量子计算机解决这些电子结构的可能性。研究人员开发了一种新的混合模拟过程，使用量子计算机解决电子结构问题，有可能使量子计算机在未来处理更复杂的化学结构。这项研究使用了新的计算方法的组合，在线发表在《化学理论与计算》杂志上。它得到了Q-NEXT的支持，这是一个由阿贡领导的美国能源部国家量子信息科学研究中心，以及中西部计算材料综合中心（MICCoM）。GiuliaGalli说："这是朝着使用量子计算机来解决计算化学中的挑战性问题迈出的令人兴奋的一步，"他与阿贡的工作人员科学家和芝加哥大学先进科学和工程联合会（CASE）的成员MarcoGovoni一起领导了这项研究。计算方面的挑战预测一种材料的电子结构需要解决决定电子如何相互作用的复杂方程，以及模拟各种可能的结构在其整体能量水平上如何相互比较。与以二进制比特存储信息的传统计算机不同，量子计算机使用可存在于叠加状态的量子比特，让它们更容易和快速地解决某些问题。计算化学家们一直在争论量子计算机是否以及何时能够最终比传统计算机更好地解决复杂材料的电子结构问题。然而，今天的量子计算机仍然相对规模较小，并会产生噪音数据。使用量子计算机预测复杂材料的电子结构GiuliaGalli教授和其他研究人员探索了使用量子计算机预测复杂材料的电子结构的可能性，这是从材料工程到药物设计等领域的一个进步。即使有这些弱点，加利和她的同事们想知道他们是否仍能在创建量子计算机上解决电子结构问题所需的基础量子计算方法方面取得进展。"我们真正想解决的问题是，在目前的量子计算机状态下，有可能做什么，"Govoni说。"我们提出了这个问题：即使量子计算机的结果是有噪音的，它们是否仍然可以用来解决材料科学中有趣的问题？"一个迭代过程研究人员设计了一个混合模拟过程，他们使用的是IBM量子计算机。在他们的方法中，少量的量子比特--四到六个之间--执行部分计算，然后用经典计算机进一步处理结果。"我们设计了一个迭代的计算过程，利用了量子计算机和传统计算机的优势，"加利小组的研究生、新论文的第一作者BenchenHuang说。经过几次迭代，模拟过程能够提供固态材料中几个自旋缺陷的正确电子结构。此外，该团队还开发了一种新的错误缓解方法，以帮助控制量子计算机产生的固有噪声，并确保结果的准确性。对未来的提示就目前而言，使用新的量子计算方法解决的电子结构已经可以用常规计算机来解决。因此，长期以来关于量子计算机在解决电子结构问题上是否能优于经典计算机的争论还没有解决。然而，新方法提供的结果为量子计算机解决更复杂的化学结构铺平了道路。Huang说："当我们将其扩大到100个量子比特，而不是4个或6个时，我们认为我们可能比传统计算机更有优势。但只有时间能证明这一点"。该研究小组计划继续改进和扩大他们的方法，以及用它来解决不同类型的电子问题，如有溶剂存在的分子，以及处于激发状态的分子和材料。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1353817.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1353817.htm

量子挤压：麻省理工学院开启精密时钟的新纪元

量子挤压：麻省理工学院开启精密时钟的新纪元根据麻省理工学院的一项新研究，时钟、激光器和其他振荡器可以调整到超量子精度，从而使研究人员能够追踪时间上无限微小的差异。图片来源：麻省理工学院新闻时钟的稳定性取决于其所处环境的噪音。一阵微风就会使钟摆的摆动失去同步。热量也会扰乱原子钟中原子的振荡。消除这些环境影响可以提高时钟的精度。但也仅此而已。麻省理工学院的一项新研究发现，即使消除了来自外界的所有噪声，时钟、激光束和其他振荡器的稳定性仍然容易受到量子力学效应的影响。振荡器的精度最终将受到量子噪声的限制。但理论上，有一种方法可以突破这一量子限制。在他们的研究中，研究人员还表明，通过操纵或"挤压"造成量子噪声的状态，振荡器的稳定性可以得到改善，甚至突破其量子极限。麻省理工学院机械工程系助理教授维维谢克-苏迪尔（VivishekSudhir）说："我们所展示的是，激光和时钟等振荡器的稳定性实际上是有极限的，这个极限不仅是由它们所处的环境设定的，也是量子力学迫使它们左右晃动的事实设定的。然后，我们已经证明，你甚至有办法绕过量子力学的晃动。但你必须更聪明，而不仅仅是把它与环境隔离开来，必须玩弄量子态本身。"研究小组正在对他们的理论进行实验测试。如果他们能证明可以操纵振荡系统中的量子态，研究人员设想可以将时钟、激光和其他振荡器调整到超量子精度。然后，这些系统就可以用来追踪时间上无限微小的差异，比如量子计算机中单个量子比特的波动，或者在探测器之间闪烁的暗物质粒子的存在。麻省理工学院物理系研究生哈德森-拉夫林（HudsonLoughlin）说："我们计划在未来几年内展示几种具有量子增强计时能力的激光器。我们希望，我们最近的理论发展和即将进行的实验将推进我们精确计时的基本能力，并实现新的革命性技术。"Loughlin和Sudhir在《自然-通讯》（NatureCommunications）杂志上发表的一篇开放存取论文中详细介绍了他们的工作。激光精度在研究振荡器的稳定性时，研究人员首先研究了激光--一种能产生高度同步光子的波状光束的光学振荡器。激光的发明主要归功于物理学家阿瑟-肖洛（ArthurSchawlow）和查尔斯-汤斯（CharlesTownes）。激光器的设计以"发光介质"为中心，"发光介质"是原子的集合，通常镶嵌在玻璃或晶体中。在最早的激光器中，围绕着发光介质的闪光灯管会刺激原子中的电子跃升能量。当电子放松回到较低能量时，就会以光子的形式发出一些辐射。照明介质两端的两面镜子会将发出的光子反射回原子中，从而激发更多的电子，产生更多的光子。其中一面镜子与激光介质一起充当"放大器"，促进光子的产生，而第二面镜子部分透射，充当"耦合器"，将一些光子提取出来，形成一束集中的激光。自激光器发明以来，Schawlow和Townes提出了一个假设，即激光器的稳定性应受到量子噪声的限制。此后，其他人通过模拟激光的微观特征来验证他们的假设。通过非常具体的计算，他们表明，激光光子和原子之间难以察觉的量子相互作用确实会限制其振荡的稳定性。Sudhir指出："但这项工作必须进行极其细致、微妙的计算，这样才能理解这种限制，但仅限于特定种类的激光。我们希望极大地简化这一过程，以了解激光器和各种振荡器。"“施加压力”研究小组并没有把重点放在激光错综复杂的物理特性上，而是致力于简化问题。"Sudhir解释说："当电气工程师考虑制造振荡器时，他们会使用一个放大器，然后将放大器的输出馈入自己的输入端。这就像蛇吃自己的尾巴。这是一种极为自由的思维方式。你不需要了解激光的细枝末节。取而代之的是一幅抽象的图景，不仅是激光器的图景，也是所有振荡器的图景。"在他们的研究中，研究小组绘制了一幅类似激光振荡器的简化图。他们的模型由一个放大器（如激光的原子）、一条延迟线（例如，光在激光反射镜之间传播所需的时间）和一个耦合器（如部分反射镜）组成。研究小组随后写下了描述系统行为的物理方程，并进行了计算，以了解量子噪声会在系统的哪个位置出现。"通过将这一问题抽象为一个简单的振荡器，我们可以精确定位量子波动进入系统的位置，它们来自两个地方：放大器和使我们能够从振荡器中获得信号的耦合器，"Loughlin说。"如果我们知道了这两点，我们就知道了该振荡器稳定性的量子极限是多少"。科学家们可以利用他们在研究中列出的方程来计算自己振荡器的量子极限。更重要的是，研究小组证明，如果可以"挤压"两个信号源之一的量子噪声，就有可能克服这一量子极限。量子挤压是指以成比例地增加系统某一方面的量子波动为代价，使其最小化。这种效果类似于将气球中的空气从一部分挤入另一部分。在激光器中，研究小组发现，如果耦合器中的量子波动被挤压，就能提高输出激光束的精度或振荡时间，即使激光功率中的噪声会因此增加。"当你发现某种量子力学极限时，总会有这样一个问题：这种极限的可塑性有多大？"Sudhir说。"它真的是一个硬性的限制吗，或者说，通过操纵量子力学，你是否还能提取出一些果汁？在这种情况下，我们发现是有的，这是一个适用于一大类振荡器的结果。"...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1400943.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1400943.htm