国际首次！我国科学家实现光子的分数量子反常霍尔态

国际首次！我国科学家实现光子的分数量子反常霍尔态据新华社，日前，中国科学技术大学潘建伟院士团队，利用“自底而上”的量子模拟方法，在国际上首次实现了光子的分数量子反常霍尔态，为高效开展更多、更新奇的量子物态研究提供了新路径，助力推进“第二次量子革命”。分数量子反常霍尔效应备受学术界关注，处于分数量子反常霍尔态的物质具有重要的观测研究价值。团队此次实现光子的分数量子反常霍尔态，为开展量子领域相关研究提供了优质的研究平台，无需极强外磁场等严苛的实验条件，且能实现对高集成度量子系统微观性质的全面测量和可控利用。诺贝尔物理学奖获得者弗兰克・维尔切克评价，这项研究向基于任意子的量子信息处理迈出重要一步。

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

上海交大团队首次在天然单晶石墨烯中实现量子反常霍尔效应

上海交大团队首次在天然单晶石墨烯中实现量子反常霍尔效应近日，上海交通大学物理与天文学院陈国瑞课题组在Science上发表题为“ObservationofaCherninsulatorincrystallineABCA-tetralayergraphenewithspin-orbitcoupling”的研究论文。该研究首次在天然单晶石墨烯中实现了量子反常霍尔效应，为实现量子反常霍尔这一重要物理效应提供了新思路和新的技术路线。（澎湃新闻）

研究人员率先在光子芯片上实现量子模拟

研究人员率先在光子芯片上实现量子模拟罗切斯特大学的研究人员开发的一个新系统使他们能够在一个模拟物理世界的合成空间中进行量子模拟，通过控制量子纠缠光子的频率，或颜色，随着时间的推移。资料来源：罗切斯特大学图片/MichaelOsadciw来自罗切斯特大学哈吉姆工程与应用科学学院的一个研究小组开发了一个新的芯片级光量子模拟系统，可以帮助使这种系统变得可行。由电子和计算机工程及光学教授林强领导的这个团队于6月22日在《自然-光子学》杂志上发表了他们的研究结果。林强的团队在一个模拟物理世界的合成空间中进行了模拟，通过控制量子纠缠光子的频率或颜色，随着时间的流逝。这种方法不同于传统的基于光子的计算方法，在这种方法中，光子的路径被控制，也大大减少了物理足迹和资源需求。"我们第一次能够生产出量子相关的合成晶体，"林说。"新方法大大扩展了合成空间的尺寸，使我们能够对几个量子尺度的现象进行模拟，如量子纠缠光子的随机行走。"研究人员介绍说，这个系统可以作为未来更复杂的模拟的基础。"虽然被模拟的系统已被充分理解，但这个原则性证明实验显示了这种新方法的力量，可以扩展到更复杂的模拟和计算任务，这是我们在未来非常兴奋的研究内容，"该研究的主要作者UsmanJavid'23博士（光学）说。林强小组的其他共同作者包括雷蒙德-洛佩斯-里奥斯、凌敬伟、奥斯汀-格拉夫和杰里米-斯塔法。该项目得到了美国国家科学基金会、国防威胁减少局的化学和生物防御联合科技办公室以及国防高级研究计划局的资助。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1368509.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1368509.htm

揭开量子世界的神秘面纱：科学家实时捕捉光子的量子纠缠

揭开量子世界的神秘面纱：科学家实时捕捉光子的量子纠缠一项基于先进照相技术的新技术展示了一种快速高效地重建纠缠粒子完整量子态的方法。渥太华大学的研究人员与罗马萨皮恩扎大学的达尼洛-齐亚（DaniloZia）和法比奥-斯基亚里诺（FabioSciarrino）合作，最近展示了一种新技术，能够实时可视化两个纠缠光子（构成光的基本粒子）的波函数。用一双鞋作比喻，纠缠的概念可以比作随机选择一只鞋。当你辨认出一只鞋子的那一刻，另一只鞋子的性质（是左鞋还是右鞋）就会立刻被分辨出来，而不管它在宇宙中的位置如何。然而，耐人寻味的是，在观察的确切时刻之前，与识别过程相关的固有不确定性。波函数是量子力学的核心原理，它提供了对粒子量子态的全面理解。例如，在鞋子的例子中，鞋子的"波函数"可以携带左右、大小、颜色等信息。更准确地说，波函数能让量子科学家预测对量子实体进行各种测量的可能结果，如位置、速度等。照片（从左到右）：AlessioD'Errico博士、EbrahimKarimi博士和NazaninDehghan。图片来源：渥太华大学这种预测能力非常宝贵，尤其是在飞速发展的量子技术领域，了解量子计算机产生或输入的量子态，将使我们能够测试计算机本身。此外，量子计算中使用的量子态极其复杂，涉及许多可能表现出强非局部相关性（纠缠）的实体。了解这样一个量子系统的波函数是一项极具挑战性的任务--这也被称为量子态层析成像或量子层析成像。采用标准方法（基于所谓的投影运算）进行全面层析需要大量测量，而测量次数会随着系统复杂度（维度）的增加而迅速增加。该研究小组以前用这种方法进行的实验表明，表征或测量两个纠缠光子的高维量子态可能需要几个小时甚至几天的时间。此外，结果的质量对噪声非常敏感，并取决于实验装置的复杂程度。量子层析成像的投影测量方法可以理解为观察从独立方向投射到不同墙壁上的高维物体的影子。研究人员所能看到的只是这些阴影，而从这些阴影中，他们可以推断出整个物体的形状（状态）。例如，在CT扫描（计算机断层扫描）中，可以从一组二维图像中重建三维物体的信息。不过，在经典光学中，还有另一种重建三维物体的方法。这种方法被称为数字全息术，其基础是通过将物体散射的光与参考光进行干涉而获得的单幅图像，即干涉图。由加拿大结构量子波研究主席、渥太华量子技术联合研究所（NexQT）联合主任、理学院副教授EbrahimKarimi领导的研究小组将这一概念扩展到了双光子的情况。重构双光子态需要将其与假定的众所周知的量子态叠加，然后分析两个光子同时到达的位置的空间分布。对同时到达的两个光子进行成像被称为巧合成像。这些光子可能来自参考源，也可能来自未知源。量子力学指出，光子的来源无法确定。这就产生了一种干涉模式，可用于重建未知波函数。先进的照相机能以纳秒（1,000,000,000秒）的分辨率记录每个像素上的事件，使这项实验成为可能。论文共同作者之一、渥太华大学博士后AlessioD'Errico博士强调了这一创新方法的巨大优势："这种方法比以前的技术快了数倍，只需要几分钟或几秒钟，而不是几天。重要的是，检测时间不受系统复杂性的影响--这是解决投影层析成像中长期存在的可扩展性难题的一种方法。"这项研究的影响不仅限于学术界。它有可能加速量子技术的进步，如改进量子态表征、量子通信和开发新的量子成像技术。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1387125.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1387125.htm

【研究：量子纠缠光子对支付交易进行加密】

【研究：量子纠缠光子对支付交易进行加密】2023年07月05日03点38分老不正经报道，维也纳量子科学技术中心7月4日发表的一篇题​​为“量子数字支付的演示”的论文中，研究人员展示了可能是第一个基于量子力学的“无条件安全”数字交易系统。为了实现这一目标，研究人员使用一对量子纠缠光子对支付交易进行加密。通过这种纠缠，其中一个光子的任何状态变化都会准确地反映在另一个光子中，即使相隔一定距离，研究人员也能够确保任何修改交易的尝试都会受到量子力学本身性质的阻碍。研究人员称，我们展示了量子光如何通过生成本质上不可伪造的量子密码来确保日常数字支付的安全。量子纠缠最有用的特征之一是，在测量纠缠物体之前，我们无法知道它处于什么状态。