量子场论的预测首次在实验中得到证实

量子场论的预测首次在实验中得到证实研究人员获得的温度曲线显示，与环境相互作用强烈的粒子是"热"粒子（红色），相互作用较弱的粒子是"冷"粒子（蓝色）。因此，在粒子间相互作用强烈的地方，纠缠程度就大。资料来源：HeleneHainzer目前发表在《自然》杂志上的这篇论文的第一作者之一克里斯蒂安-科凯尔（ChristianKokail）强调说："许多粒子的纠缠是与众不同的特征。但与此同时，这也很难确定"。由因斯布鲁克大学和奥地利科学院量子光学与量子信息研究所（IQOQI）的彼得-佐勒（PeterZoller）领导的研究人员现在提供了一种新方法，可以显著改善对量子材料中纠缠的研究和理解。为了描述大型量子系统并从中提取有关现有纠缠的信息，完成之前层被认为不可能完成的大量测量。理论物理学家里克-范比南（RickvanBijnen）解释说："我们已经开发出一种更有效的描述方法，使我们能够以大幅减少的测量次数从系统中提取纠缠信息。"离子阱量子模拟器的进步在带有51个粒子的离子阱量子模拟器中，科学家们通过逐个粒子再现真实材料，并在受控实验室环境中对其进行研究。世界上很少有研究小组能像克里斯蒂安-罗斯（ChristianRoos）和莱纳-布拉特（RainerBlatt）领导的因斯布鲁克实验物理学家小组那样，对如此多的粒子进行必要的控制。"我们面临的主要技术挑战是如何在控制陷阱中51个离子的同时保持低误差率，并确保单个量子比特控制和读出的可行性，"实验员ManojJoshi解释说。在这一过程中，科学家们首次在实验中看到了以前只在理论上描述过的效应。"在这里，我们将过去多年来共同研究出的知识和方法结合在了一起。"克里斯蒂安-科凯尔（ChristianKokail）最近加入了哈佛大学理论原子分子和光学物理研究所。温度曲线：一条新捷径在量子材料中，粒子或多或少会发生强纠缠。对强纠缠粒子进行测量只会产生随机结果。如果测量结果波动很大，即纯粹随机，那么科学家将其称为"热"。如果某种结果的概率增大，则是"冷"量子对象。只有对所有纠缠对象进行测量，才能揭示确切的状态。在由非常多粒子组成的系统中，测量的工作量会大大增加。量子场论已经预言，由许多纠缠粒子组成的系统的子区域可以被赋予一个温度曲线。这些温度曲线可用于推导粒子的纠缠程度。在因斯布鲁克量子模拟器中，这些温度曲线是通过计算机与量子系统之间的反馈回路确定的，计算机不断生成新的曲线，并将其与实验中的实际测量结果进行比较。研究人员获得的温度曲线显示，与环境相互作用强烈的粒子是"热"的，而相互作用很少的粒子是"冷"的。克里斯蒂安-科凯尔说："这完全符合人们的预期，即在粒子间相互作用强烈的地方，纠缠特别大。"量子物理学的新视野"我们开发的方法为研究相关量子物质中的大规模纠缠提供了强大的工具。这为利用当今已有的量子模拟器研究一类新的物理现象打开了大门，"量子设计大师彼得-佐勒（PeterZoller）说。"使用经典计算机，这种模拟已经无法通过合理的努力来计算了"。在因斯布鲁克开发的方法还将用于在此类平台上测试新理论。相关成果已发表在《自然》杂志上。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1401279.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1401279.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

纠缠增强传感技术为先进量子传感器的研发和进步打下了基础

纠缠增强传感技术为先进量子传感器的研发和进步打下了基础因斯布鲁克物理学家将链中的所有粒子相互纠缠，产生了所谓的挤压量子态。资料来源：StevenBurrows和雷伊小组/JILA现在，由克里斯蒂安-罗斯（ChristianRoos）领导的因斯布鲁克大学和奥地利科学院量子光学与量子信息研究所（IQOQI）的科学家们展示了如何利用产生纠缠的特殊方法来进一步提高光学原子钟功能不可或缺的测量精度。"量子系统的观测总是受到一定统计不确定性的影响。"ChristianRoos团队的JohannesFranke解释说："这是量子世界的本质决定的。"纠缠可以帮助我们减少这些误差"。在美国博尔德JILA理论家安娜-玛丽亚-雷伊的支持下，因斯布鲁克的物理学家们在实验室里对纠缠粒子集合的测量精度进行了测试。研究人员使用激光来调节排列在真空室中的离子之间的相互作用，并将它们纠缠在一起。"相邻粒子之间的相互作用会随着粒子间距离的增加而减弱。因此，我们利用自旋交换相互作用，让系统表现得更有集体性，"因斯布鲁克大学理论物理系的拉斐尔-考布吕格尔解释说。因此，链中的所有粒子都相互纠缠，产生了所谓的挤压量子态。物理学家以此证明，通过将51个离子与单个粒子纠缠在一起，测量误差大约可以减半。在此之前，纠缠增强传感主要依赖于无限的相互作用，这就限制了它只适用于某些量子平台。"因斯布鲁克量子物理学家通过实验证明，量子纠缠使传感器更加灵敏。"克里斯蒂安-罗斯说："我们在实验中使用了一种光学转变，原子钟也采用了这种转变。这项技术可以改善目前使用原子钟的领域，如卫星导航或数据传输。此外，这些先进的时钟还能为寻找暗物质或确定基本常数的时间变化等研究提供新的可能性。"克里斯蒂安-罗斯和他的团队现在希望在二维离子群中测试这种新方法。目前的研究成果发表在《自然》（Nature）杂志上。在同一期杂志上，研究人员利用中性原子发表了非常相似的结果。在因斯布鲁克进行的研究得到了奥地利科学基金FWF和奥地利蒂罗尔工业联合会等机构的资助。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1380631.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1380631.htm

中国科大首次实现光子的分数量子反常霍尔态

中国科大首次实现光子的分数量子反常霍尔态成果示意图。16个非线性“光子盒”阵列囚禁的微波光子强相互作用形成分数量子反常霍尔态。霍尔效应是指当电流通过置于磁场中的材料时，电子受到洛伦兹力的作用，在材料内部产生垂直于电流和磁场方向的电压。反常霍尔效应是指无需外部磁场的情况下观测到相关效应。分数量子霍尔态展现出非平庸的多体纠缠，对其研究所衍生出的拓扑序、复合费米子等理论成果逐渐成为多体物理学的基本模型。与此同时，分数量子霍尔态可激发出局域的准粒子，这种准粒子具有奇异的分数统计和拓扑保护性质，有望成为拓扑量子计算的载体。传统的量子霍尔效应实验研究采用“自顶而下”的方式，即在特定材料的基础上，利用该材料已有的结构和性质实现制备量子霍尔态。通常情况下，需要极低温环境、极高的二维材料纯净度和极强的磁场，对实验要求较为苛刻。此外，传统“自顶而下”的方法难以对系统微观量子态进行单点位独立地操控和测量，一定程度上限制了其在量子信息科学中的应用。人工搭建的量子系统结构清晰，灵活可控，是一种“自底而上”研究复杂量子物态的新范式。其无需外磁场，通过变换耦合形式即可构造出等效人工规范场；通过对系统进行高精度可寻址的操控，可实现对高集成度量子系统微观性质的全面测量，并加以进一步可控的利用。这类技术被称为量子模拟，是“第二次量子革命”的重要内容，有望在近期应用于模拟经典计算困难的量子系统并达到“量子计算优越性”。据介绍，此前，国际上已经基于其开展了一些合成拓扑物态、研究拓扑性质的量子模拟工作。然而，由于以往系统中耦合形式和非线性强度的限制，人们一直未能在二维晶格中为光子构建人工规范场。为解决这一重大挑战，研究团队在国际上自主研发并命名了一种新型超导量子比特Plasmonium，打破了目前主流的Transmon（传输子型）量子比特相干性与非简谐性之间的制约，用更高的非简谐性提供了光子间更强的排斥作用。进一步，团队通过交流耦合的方式构造出作用于光子的等效磁场，使光子绕晶格的流动可积累Berry（贝里）相位，解决了实现光子分数量子反常霍尔效应的两个关键难题。同时，这样的人造系统具有可寻址、单点位独立控制和读取，以及可编程性强的优势，为实验观测和操纵提供了新的手段。在该项工作中，研究人员观测到了分数量子霍尔态独有的拓扑关联性质，验证了该系统的分数霍尔电导。同时，他们通过引入局域势场的方法，跟踪了准粒子的产生过程，证实了准粒子的不可压缩性质。《科学》杂志审稿人高度评价这一工作，认为这一工作“是利用相互作用光子进行量子模拟的重大进展”“一种新颖的局域单点控制和自底而上的途径”。诺贝尔物理学奖得主FrankWilczek评价，这种“自底而上”、用人造原子构建哈密顿量的途径是一个“非常有前途的想法”，这是一个令人印象深刻的实验，为基于任意子的量子信息处理迈出了重要一步。沃尔夫奖获得者PeterZoller评价，“这在科学和技术上都是一项杰出的成就”“实现这样的目标是多年来全球顶级实验室竞争的量子模拟的圣杯之一”。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1430083.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1430083.htm

量子技术的新基石：量子点和扭曲光

量子技术的新基石：量子点和扭曲光通过量子点源设计基于粒子内和粒子间轨道角动量纠缠态的灵活平台方案。资料来源：NicolòSpagnolo量子点：桥梁技术量子点（QDs）是一种具有巨大潜力的微小粒子。来自罗马萨皮恩扎大学、巴黎萨克雷大学和那不勒斯费德里科二世大学的研究团队将OAM的特性与量子点的特性相结合，在两种尖端技术之间架起了一座桥梁。他们的研究成果发表在同行评审金牌娱乐《先进光子学》（AdvancedPhotonics）杂志上。拟议协议的概念方案。以近乎确定性的方式操纵由QD光源产生的单光子的偏振和OAM，通过q板使两个自由度相互作用，产生粒子内纠缠态。在粒子间机制中，两个光子在由偏振和OAM组成的混合空间中以特定状态为特征，通过分束器发生干涉。通过对重合次数的后选择，实现了一个概率纠缠门。资料来源：AlessiaSuprano创新在哪里？他们建造的这座桥可以灵活地用于两个目标。首先，它可以制造在OAM偏振空间内纠缠的纯单光子，研究人员可以直接对其进行计数。其次，这座桥还能制造量子世界中强相关的光子对。它们是纠缠在一起的，因此每个单光子的状态都不能独立于另一个光子的状态来描述，即使它们相距甚远。这对量子通信和加密来说意义重大。这个新平台有可能在粒子内部和粒子之间创建混合纠缠态，所有这些都属于高维希尔伯特空间。一方面，研究小组实现了纯单光子的产生，其量子态在混合OAM极化域内表现出不可分离性。通过利用几乎确定性的量子源与q板（一种能够根据单光子偏振调整OAM值的设备）的结合，研究人员可以通过单光子计数直接验证这些状态，从而避免了预示过程的需要并提高了生成率。另一方面，研究小组还利用单光子内部的不可分性概念作为资源，生成在混合OAM偏振空间内具有纠缠性的单光子对。罗马萨皮恩扎大学物理系量子信息实验室主任FabioSciarrino教授对此评论说："提出的灵活方案代表着高维多光子实验向前迈进了一步，它可以为基础研究和量子光子应用提供一个重要平台。"对量子技术的影响从本质上讲，这项研究标志着在追求先进量子技术的道路上迈出了重要一步。这就好比连接了两座大城市。这种连接为量子计算、通信以及更多领域带来了令人兴奋的可能性。因此这不仅是科学，更是未来。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1396377.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1396377.htm

大型强子对撞机观测到了顶夸克及其反粒子之间的量子纠缠

大型强子对撞机观测到了顶夸克及其反粒子之间的量子纠缠粒子物理学中的量子纠缠最近，在安东-蔡林格（AntonZeilinger）和他的团队首次确证两个光子之间存在纠缠的二十年后，ATLAS和CMS实验报告说，在大型强子对撞机上观测到了同时静止产生的顶夸克及其反粒子之间的量子纠缠。确认最重的基本粒子--顶夸克之间的量子纠缠为探索我们世界的量子本质开辟了一条新途径，其能量远远超出了量子光学等领域所能达到的水平。同时，大型强子对撞机上顶夸克对的巨大产生率提供了顶夸克的巨大数据样本，为这些研究提供了独一无二的机会。顶级夸克和反粒子之间的量子纠缠在大型强子对撞机上得到证实，标志着高能量子物理学在大量数据和先进分析方法的支持下取得了重大进展。来源：欧洲核子研究中心爱因斯坦对量子力学的挑战在量子力学中，如果我们知道其中一个粒子在测量另一个粒子时的状态，那么这两个粒子就是纠缠的。即使这两个最初纠缠在一起的粒子在测量前彼此相距很远，情况也是如此。这就是爱因斯坦所说的"超距作用"：虽然信息的传播速度不可能超过光速，但在对第一个粒子进行测量时，第二个粒子保证会立即处于相应的状态。1934年，爱因斯坦和他的合作者提出了一个思想实验，他们认为这个实验揭示了量子力学的不一致性。为了解决这个悖论，他们提出，我们对纠缠的描述是不完整的，系统中还有其他我们无法通过实验获得的量在起作用。那么，纠缠就是我们对这些隐藏变量一无所知的结果。测量纠缠的先进技术在一项新的测量中，CMS合作小组首次研究了以极快的速度同时产生的顶夸克和顶反夸克的自旋纠缠。因此，这两个粒子在衰变之前相距甚远，也就是说，它们之间的距离大于以光速传输的信息所能覆盖的距离。夸克和反夸克自旋之间的相关性是通过观察它们衰变产物的角度分布来测量的。分析中采用了最先进的机器学习方法，以正确分配顶（反）夸克衰变产物，并改进系统不确定性的建模。图1显示了在两个不同运动学区域观察到的纠缠程度，以参数ΔE为特征。图1：在两个运动学区域观察到的以ΔE为特征的纠缠水平。图中显示了测量结果（点）及其不确定性，并与SM预测值（红线）进行了比较。水平蓝线对应于夸克和反夸克之间以光速交换信息所能解释的最大纠缠度ΔE临界值。第一个分段对应于产生的横动量小于50GeV的顶夸克，而在最后一个分段中，顶夸克对具有很高的不变质量，即相互之间的运动速度很大。在这两个运动学区域测得的ΔE都大于1，证实了两个粒子之间的纠缠。特别是在第二个分区，顶夸克-反夸克对的相对速度非常大，只有10%的情况下它们才有机会进行交流。在这里，纠缠度明显高于ΔE临界值，而ΔE临界值是在光速下通过隐藏变量进行信息交流所能解释的纠缠度。因此，测量结果表明，在已知最重的粒子之间确实存在"超距作用"。资料来源：欧洲核子研究中心编译自/citechdaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1435165.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1435165.htm