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

新的量子计算范式： 改变游戏规则的硬件 实现更快的计算速度

新的量子计算范式：改变游戏规则的硬件实现更快的计算速度洛斯阿拉莫斯国家实验室的科学家们利用自然量子相互作用开发出了一种突破性的量子计算方法。这种方法有望延长量子比特的寿命，利用格罗弗算法高效解决问题，并具有显著的抗错能力。量子计算策略使用简单的磁场来旋转量子比特，如自然量子系统中的电子自旋。利用自然量子相互作用可以更快、更稳健地计算格罗弗算法和许多其他算法。洛斯阿拉莫斯国家实验室的理论物理学家尼古拉-西尼琴（NikolaiSinitsyn）说："我们的发现消除了量子硬件的许多挑战性要求。"他是8月14日发表在《物理评论A》（PhysicalReviewA）杂志上有关该方法的论文的共同作者。"自然系统，如金刚石中缺陷的电子自旋，恰恰具有我们的计算过程所需的相互作用类型。"西尼琴说，研究小组希望与洛斯阿拉莫斯的实验物理学家合作，利用超冷原子展示他们的方法。他说，现代超冷原子技术已经足够先进，可以用大约40到60个量子比特演示这种计算，这足以解决许多目前经典计算或二进制计算无法解决的问题。量子比特是量子信息的基本单位，类似于我们熟悉的经典计算中的比特。寿命更长的量子比特新策略不需要在众多必须共享量子纠缠的量子比特之间建立一个复杂的逻辑门系统，而是利用一个简单的磁场来旋转自然系统中的量子比特，如电子自旋。自旋态的精确演化就是实现该算法所需的全部条件。西尼琴说，这种方法可以用来解决量子计算机所提出的许多实际问题。量子计算仍是一个新兴领域，因为很难将长串逻辑门中的量子比特连接起来，也很难维持计算所需的量子纠缠。当纠缠的量子比特开始与计算机量子系统之外的世界发生相互作用并引入误差时，纠缠就会在一个称为退相干的过程中瓦解。这种情况发生得很快，限制了计算时间。量子硬件尚未实现真正的纠错。新方法依靠的是自然纠缠而非诱导纠缠，因此需要的量子位之间的连接更少。这就减少了退相干的影响。因此，量子比特的寿命相对较长。量子算法的进步洛斯阿拉莫斯团队的理论论文展示了如何利用格罗弗算法比现有量子计算机更快地解决数字分区问题。作为最著名的量子算法之一，格罗弗算法可以对大量数据集进行非结构化搜索，而这些数据集会吞噬传统的计算资源。西尼琴举例说，格罗弗算法可用于在两台计算机之间平均分配任务的运行时间，以便它们同时完成其他实际工作。该算法非常适合理想化的纠错量子计算机，尽管它很难在当今容易出错的机器上实现。抗错性和简单性西尼琴说，量子计算机的计算速度比任何经典设备都要快得多，但迄今为止它们还极难实现。传统量子计算机实现的是量子电路--用不同的量子比特对进行基本操作的序列。洛斯阿拉莫斯的理论家们提出了一个有趣的替代方案。西尼琴说："我们注意到，对于许多著名的计算问题来说，只要有一个具有基本相互作用的量子系统就足够了，在这个系统中，只有一个量子自旋（可通过两个量子比特实现）与其他计算量子比特发生相互作用。然后，仅作用于中心自旋的单个磁脉冲就能实现量子格罗弗算法中最复杂的部分。"这种量子操作被称为"格罗弗神谕"（Grover'soracle），指向所需的解决方案。他说："在这个过程中，计算量子比特之间不需要直接相互作用，与中心自旋之间也不需要随时间变化的相互作用。他说，一旦中心自旋和量子比特之间的静态耦合设定好，整个计算过程只需应用简单的随时间变化的外部场脉冲来旋转自旋即可。"重要的是，该团队证明了这种操作可以快速完成。研究小组还发现，他们的方法受到拓扑保护。也就是说，即使没有量子纠错，它也能抵御控制场和其他物理参数精度方面的许多误差。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1379729.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1379729.htm

研究人员成功实现利用超导体掌握芯片上的自旋波

研究人员成功实现利用超导体掌握芯片上的自旋波这些磁体中的微小自旋波可能在未来成为电子器件的替代品，对节能信息技术或量子计算机中的连接部件等很有意义。这一突破发表在《科学》杂志上，主要让物理学家对磁体和超导体之间的相互作用有了新的认识。"自旋波是磁性材料中的波，我们可以利用它来传输信息，"领导这项实验的迈克尔-博斯特解释说。"由于自旋波可以成为替代电子产品的高能效构件，科学家们多年来一直在寻找控制和操纵自旋波的有效方法"。""早有预言金属电极可以控制自旋波，但直到现在，物理学家几乎还没有在实验中看到这种效果。"量子纳米科学系副教授ToenovanderSar说："我们研究团队的突破在于，我们证明了如果使用超导电极，确实可以正确控制自旋波。"其工作原理如下：自旋波产生磁场，磁场又在超导体中产生超电流。超电流就像自旋波的一面镜子：超导电极将磁场反射回自旋波。超导镜面使自旋波上下移动的速度更慢，从而使自旋波易于控制。当自旋波经过超导电极时，它们的波长会完全改变，只要稍微改变电极的温度，我们就能非常精确地调节变化的幅度。实验插图。图中显示了薄磁层上的两个金电极。中间是一个超导电极。研究人员用左边的金电极在磁性材料中产生自旋波，自旋波向右边传播。电极顶部是一个方形钻石膜，研究人员可以通过它看到超导电极。资料来源：代尔夫特理工大学MichaelBorst"我们首先铺设了一层薄薄的钇铁石榴石（YIG）磁层，它被称为地球上最好的磁铁。我们在上面铺设了一个超导电极和另一个电极来诱导自旋波。通过冷却到零下268度，我们让电极进入了超导状态，"范德萨说。"令人惊奇的是，自旋波随着温度的降低变得越来越慢。这让我们有了操纵自旋波的独特方法；我们可以让自旋波偏转、反射、共振等等。但这也让我们对超导体的特性有了新的认识。"研究人员钻石中的电子作为自旋波磁场的传感器，对自旋波进行成像，这对实验至关重要。它最酷的地方在于可以透过不透明的超导体观察下面的自旋波，就像核磁共振扫描仪可以透过皮肤观察人的身体一样。""自旋波技术仍处于起步阶段，"博斯特说。"例如，要利用这种技术制造高能效计算机，我们首先必须开始构建小型电路来执行计算。我们的发现打开了一扇门：超导电极可以实现无数新的高能效自旋波电路"。范德萨补充说："我们现在可以设计基于自旋波和超导体的设备，这些设备产生的热量和声波都很少。想想自旋电子学版的频率滤波器或谐振器吧，这些元件可以在手机的电子电路中找到。或者可以作为量子计算机中量子位之间的晶体管或连接器的电路。"...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1393793.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1393793.htm

科学家借增强现实技术 模拟了相互作用粒子间量子纠缠的新方法

科学家借增强现实技术模拟了相互作用粒子间量子纠缠的新方法在2022年8月3日发表于《美国国家科学院院刊》（PNAS）上的一篇文章中，科学家们介绍了一种通过增强现实技术来模拟相互作用的粒子间的量子纠缠的新方法。SCITechDaily指出，计算分子电子的集体行为，对于材料性质的预测是相当必要的。有朝一日，此类预测或帮助科学家创造出新的药物、或具有理想品质（比如超导性）的新材料。PC版：https://www.cnbeta.com/articles/soft/1325741.htm手机版：https://m.cnbeta.com/view/1325741.htm

操控"量子光"的空前突破 让光子与人造原子相互作用

操控"量子光"的空前突破让光子与人造原子相互作用艺术家对光子与人造原子相互作用后如何结合的印象。资料来源：巴塞尔大学爱因斯坦在1916年提出的刺激性光发射被广泛观察到，用于大量的光子，并为激光的发明奠定了基础。通过这项研究，现在已经观察到了单光子的刺激发射。具体来说，科学家们可以测量一个光子和一对绑定的光子从一个量子点（一种人工创造的原子）散射出来的直接时间延迟。悉尼大学物理学院的SahandMahmoodian博士和这项研究的共同主要作者说："这为操纵我们可以称之为'量子光'打开了大门。这一基础科学为量子增强测量技术和光子量子计算的进步开辟了道路。"来自悉尼大学物理学院的联合主要作者SahandMahmoodian博士。资料来源：悉尼大学一个多世纪前，通过观察光与物质的相互作用，科学家们发现光不是一束粒子，也不是能量的波型--而是同时表现出这两种特性，即所谓的波粒二象性。光与物质相互作用的方式继续让科学家和人类的想象力着迷，既因为其理论上的美丽，也因为其强大的实际应用。无论是光如何穿越星际介质的广阔空间，还是激光的发展，对光的研究都是一门具有重要实际用途的科学。没有这些理论基础，几乎所有的现代技术都是不可能的。没有移动电话，没有全球通信网络，没有计算机，没有GPS，没有现代医学成像。联合第一作者巴塞尔大学纳米光子学小组的娜塔莎-托姆博士。在通信中使用光--通过光导纤维--的一个优势是，光能包，即光子不容易相互影响，这创造了近乎无失真的光速信息传输。然而，我们有时希望光能够相互作用。在这里，事情变得很棘手。例如，光被用来测量距离的微小变化，使用的仪器称为干涉仪。这些测量工具现在很普遍，无论是在先进的医学成像中，还是在对牛奶进行质量控制等重要但也许更平凡的任务中，或是以LIGO等精密仪器的形式，它在2015年首次测量了引力波。量子力学定律对此类设备的灵敏度设定了限制。这个限制是在测量的敏感程度和测量设备中的平均光子数量之间设定的。对于经典激光，这与量子光不同。联合主要作者、巴塞尔大学的娜塔莎-托姆博士说。"我们建造的设备在光子之间诱发了如此强烈的相互作用，我们能够观察到一个光子与之相互作用与两个光子之间的差异。"我们观察到，与两个光子相比，一个光子被延迟了更长的时间。有了这种真正强大的光子-光子互动，两个光子以所谓的双光子束缚状态的形式变得纠缠在一起。"像这样的量子光有一个优势，即原则上它可以用更少的光子进行更敏感的测量，具有更好的分辨率。这对于生物显微镜的应用非常重要，因为大的光强度可能会损坏样品，而且要观察的特征特别小。Mahmoodian博士说："通过证明我们可以识别和操纵光子结合状态，我们已经向利用量子光的实际用途迈出了重要的第一步。我研究的下一步是看这种方法如何被用来产生对容错量子计算有用的光态，这是由数百万美元的公司，如PsiQuantum和Xanadu追求的。"Tomm博士说："这个实验是令人惊艳的，不仅因为它验证了一个基本的效应--刺激发射--的终极极限，而且它还代表了向先进应用迈出的巨大技术一步。我们可以应用同样的原理来开发更有效的设备，给我们提供光子束缚状态。这对广泛领域的应用是非常有希望的：从生物学到先进的制造业和量子信息处理。"...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1350677.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1350677.htm

二维材料中首次实现核自旋量子位控制

二维材料中首次实现核自旋量子位控制据15日发表在《自然·材料》上的论文，美国普渡大学的研究人员通过使用光子和电子自旋量子位来控制二维（2D）材料中的核自旋，实现了在2D材料中写入和读取带有核自旋的量子信息。他们用电子自旋量子位作为原子尺度的传感器，首次在超薄六方氮化硼中实现了对核自旋量子位的实验控制。该研究工作拓展了量子科学和技术的前沿，使原子尺度的核磁共振光谱等应用成为可能。研究人员表示，这是第一个展示2D材料中核自旋的光学初始化和相干控制的工作。自旋量子位可以被用作传感器，例如探测蛋白质结构，或者以纳米级分辨率探测目标的温度。捕获在3D金刚石晶体缺陷中的电子能产生10—100纳米范围的成像和传感分辨率，而嵌入在单层或2D材料中的量子位可更接近目标样本，提供更高的分辨率和更强的信号。为实现这一目标，2019年，六方氮化硼中的第一个电子自旋量子位诞生。此次，研究团队在超薄六方氮化硼中建立了光子和核自旋之间的界面。核自旋可以通过周围的电子自旋量子位进行光学初始化——设置为已知的自旋。一旦被初始化，就可以用无线电频率来改变核自旋量子位，本质上是“写入”信息，或者测量核自旋量子位的变化，即“读取”信息。他们的方法一次利用3个氮原子核，其相干时间是室温下的电子量子位的30多倍。2D材料可以直接层叠在另一种材料上，从而形成一个内置的传感器。研究人员表示，2D核自旋晶格适用于大规模的量子模拟。它可在较高的温度下工作。为控制核自旋量子位，研究人员首先从晶格中移除一个硼原子，并用一个电子取代它。电子位于3个氮原子的中心。每个氮核都处于随机自旋态，可以是-1、0或+1。研究人员用激光将电子泵浦到自旋态为0，这对氮核的自旋影响可忽略不计。最后，受激电子与周围的3个氮核之间的超精细相互作用迫使原子核的自旋发生变化。当循环重复多次时，原子核的自旋达到+1状态，无论重复相互作用如何，它都保持不变。当所有3个原子核都设置为+1状态时，它们就可用作3个量子位。PC版：https://www.cnbeta.com/articles/soft/1304905.htm手机版：https://m.cnbeta.com/view/1304905.htm