物理学家观测到“不可观测”的量子相变

物理学家观测到“不可观测”的量子相变1935年，两位当时最著名的物理学家爱因斯坦和薛定谔就现实本质产生了争论。爱因斯坦认为宇宙是局域性的，一个地方发生的事情不会立即影响遥远的另一个地方。薛定谔认为量子纠缠与局域性的假设相悖。当一对粒子发生纠缠时，测量其中一个粒子会立即影响到另一个粒子，无论它身在何处。这违背了爱因斯坦关于传播速度无法超越光速的铁令。爱因斯坦不喜欢不受范围限制的纠缠，他将其称之为幽灵，认为量子力学理论是不完整的。今天的物理学家基本上解决了该问题，纠缠不会在遥远的地方产生立即的影响，它无法在遥远距离上实现特定结果：它只是传播该结果的知识。过去几年一系列的理论和实验研究揭示了纠缠的新面孔：它不是成对出现，而是以粒子星图的形式出现。纠缠通过一组粒子自然传播，建立了一个复杂的临时网。如果你测量粒子的频率足够多，你能阻止网的形成。这种网状非网状的状态令人想起物质的液态固态。网状与非网状的转变代表着信息结构的变化，这是信息的相变。来源，频道：@kejiqu群组：@kejiquchat

打破二进制：物理学家将两个量子数字完全纠缠在一起

打破二进制：物理学家将两个量子数字完全纠缠在一起真空室今天的量子计算机是从二进制系统中产生的，但编码其量子比特（qubits）的物理系统也有能力编码量子数字（qudits）。这一点最近由因斯布鲁克大学实验物理系的马丁-林鲍尔领导的团队所证明。据苏黎世联邦理工学院的实验物理学家PavelHrmo称："基于量子比特的量子计算机所面临的挑战是在高维信息载体之间有效地创建纠缠。"在2023年4月19日发表在《自然通讯》杂志上的一项研究中，因斯布鲁克大学的团队现在报告，两个量子比特如何能够以前所未有的性能相互完全纠缠，为更高效和强大的量子计算机铺平道路。像量子计算机一样思考数字9的例子表明，虽然人类能够一步到位地计算出9×9=81，但经典计算机（或计算器）必须算1001×1001，在幕后进行许多步的二进制乘法，才能在屏幕上显示81。在经典的情况下，我们可以承受这样做，但在量子世界中，计算对噪声和外部干扰本质上是敏感的，我们需要减少所需的操作数量，以充分利用现有的量子计算机。对于量子计算机上的任何计算来说，至关重要的是量子纠缠。纠缠是独特的量子特征之一，它支撑着量子在某些任务中大大超过经典计算机的潜力。然而，利用这种潜力需要产生稳健和准确的高维纠缠。量子系统的自然语言因斯布鲁克大学的研究人员现在能够完全纠缠两个量子，每个量子都被编码在单个钙离子的多达5个状态中。这给理论和实验物理学家提供了一个新的工具来超越二进制信息处理，这可能导致更快和更强大的量子计算机。马丁-林鲍尔解释说："量子系统有许多可用的状态，等待着被用于量子计算，而不是限制他们与量子比特一起工作。当今许多最具挑战性的问题，在化学、物理学或优化等不同领域，都可以从量子计算这种更自然的语言中受益。"...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1356777.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1356777.htm

物理学家成功连接了两个量子物理学的子领域

物理学家成功连接了两个量子物理学的子领域莱斯大学的物理学家已经证明，量子计算所高度追求的不可变拓扑态可以与某些材料中其他可操纵的量子态纠缠在一起。“我们发现令人惊讶的事情是，在一种特殊的晶格中，电子被困住，d原子轨道中电子的强耦合行为实际上就像一些重费米子的f轨道系统一样，”《科学进展》相关研究报告的作者说。这一意想不到的发现为凝聚态物理学的子领域之间架起了一座桥梁，这些子领域专注于量子材料的不同涌现特性。例如，在拓扑材料中，量子纠缠模式产生“受保护的”、不可变的状态，可用于量子计算和自旋电子学。在强关联材料中，数十亿个电子的纠缠会产生非常规超导性和量子自旋液体中持续磁涨落等行为。在这项研究中，斯奇苗和合著者胡浩宇（他的研究小组的前研究生）建立并测试了一个量子模型，以探索“受挫”晶格排列中的电子耦合，就像在具有“平带”特征的金属和半金属中发现的电子耦合，表明电子被卡住并且强相关效应被放大。斯奇苗是莱斯大学物理和天文学HarryC.和OlgaK.Wiess教授，也是莱斯大学量子材料中心主任。图片来源：JeffFitlow/莱斯大学这项研究是斯奇苗持续努力的一部分，他于7月获得了美国国防部著名的万尼瓦尔·布什教员奖学金，以验证控制物质拓扑状态的理论框架。在这项研究中，斯奇苗和胡浩宇表明，来自d原子轨道的电子可以成为晶格中多个原子共享的更大分子轨道的一部分。研究还表明，分子轨道中的电子可能与其他受挫电子纠缠在一起，产生强相关效应，这对于多年来研究重费米子材料的Si来说非常熟悉。“这些完全是d电子系统，”斯奇苗说。“在d电子世界中，就像有一条多车道的高速公路。在f电子世界中，您可以认为电子在两层中移动。一种就像d电子高速公路，另一种就像土路，移动速度非常慢。”Si表示，f电子系统拥有非常清晰的强相关物理例子，但它们并不适合日常使用。“这条土路距离高速公路太远了，”他说。“高速公路的影响非常小，这意味着微小的能量尺度和非常低的物理温度。这意味着需要达到10开尔文左右的温度才能看到耦合的效果。在d电子世界中情况并非如此。在多车道高速公路上，事物之间的耦合非常有效。”即使频带平坦，耦合效率仍然存在。斯将其比作高速公路的一条车道变得像f电子土路一样低效且缓慢。“即使它已经变成了土路，它仍然与其他车道共享地位，因为它们都来自d轨道，”斯说。“它实际上是一条土路，但它的耦合性更强，这转化为更高温度下的物理现象。这意味着我可以拥有所有基于f电子的精致物理学，为此我拥有明确定义的模型和多年研究的大量直觉，但我不必达到10开尔文，而是可以工作例如，200开尔文，甚至可能是300开尔文，或室温。因此，从功能角度来看，它非常有前途。”...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1389679.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1389679.htm

BNL物理学家发现了一种全新的量子纠缠类型

BNL物理学家发现了一种全新的量子纠缠类型一对粒子可以变得如此相互纠缠，以至于无论它们之间的距离有多远，都不能脱离另一个来描述。更奇怪的是，改变一个粒子会立即引发其伙伴的变化，即使它在宇宙的另一端。这个被称为量子纠缠的想法对我们来说是不可能的，因为我们是在经典物理学的领域里。甚至爱因斯坦也对此感到不安，将其称为"远距离的幽灵行动"。然而，几十年来的实验一直支持它，它构成了量子计算机和网络等新兴技术的基础。通常情况下，对量子纠缠的观察是在性质相同的一对光子或电子之间进行的。但现在，BNL团队首次检测到了一对正在进行量子纠缠的不同粒子。这一发现是在布鲁克海文实验室的相对论重离子对撞机（RHIC）中进行的，该对撞机通过加速和粉碎金离子来探测早期宇宙中存在的物质形式。但研究小组发现，即使在离子没有碰撞的情况下，也有很多东西可以从近距离的碰撞中学习。布鲁克海文实验室相对论重离子对撞机中的探测器，在这里发现了一种新型的量子纠缠加速的金离子被小的光子云所包围，当两个离子相互靠近时，其中一个的光子可以捕捉到另一个内部结构的图像，比以往任何时候都更详细。这一点对物理学家来说就足够吸引人了，但这只能发生在一种前所未有的量子纠缠形式下。光子与每个离子核内的基本粒子相互作用，引发了一个级联，最终产生了一对叫做"离子"的粒子，一个是正的，一个是负的。正如你可能记得的高中物理，一些粒子也可以被描述为波，在这种情况下，来自两个负离子的波相互加强，而来自两个正离子的波则相互加强。这推动了研究人员打造出只有一个正离子和一个负离子的波函数撞击检测器。这表明每一对正负离子都是相互纠缠在一起的。该团队说，如果它们不是这样，撞击探测器的波函数将是完全随机的。因此，这是首次探测到不同粒子的量子纠缠。一张图说明了新发现的量子纠缠类型是如何被检测到的。黄色的圆圈是金离子，蓝色和粉色的圆圈分别是正离子和负离子。来自每个离子的电波加强了来自另一个离子的相同离子的电波，因此它们以两个强烈的信号击中了检测器，在图像的顶部被视为蓝色和粉红色电波的集中。这只有在来自每个离子的正负离子以一种以前未曾见过的形式进行量子纠缠时才能起作用。说明新发现的量子纠缠类型是如何被检测到的图表。黄色的圆圈是金离子，蓝色和粉红色的圆圈分别是正离子和负离子。来自每个离子的电波加强了来自另一个离子的同一质子的电波，因此它们以两个强烈的信号击中了检测器，在图像的顶部被视为蓝色和粉红色电波的集中。这只有在每个离子的正负离子是量子纠缠的情况下才能起作用，其形式是以前没有见过的。图像来源/布鲁克海文国家实验室"我们测量两个流出的粒子，显然它们携带的电荷是不同的，证明它们是不同的粒子，但是我们又看到了干扰模式，表明这些粒子是纠缠在一起的，或者说是彼此同步的，尽管它们是可区分的粒子，"该研究的作者ZhangbuXu说。除了扩大我们对量子物理学的理解外，这一发现还能带来新的技术，比如该团队一直在使用的窥视金离子核内部的方法。该研究发表在《科学进展》杂志上。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1337873.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1337873.htm

钻石的隐藏潜力：物理学家释放不完美晶体的量子能量

钻石的隐藏潜力：物理学家释放不完美晶体的量子能量外场驱动钻石内的量子粒子，创造出长寿命量子系统。资料来源：圣路易斯华盛顿大学该论文的共同作者包括物理学教授凯特-默奇（KaterMurch）、博士生何光辉、龚若天（Ruotian(Reginald)Gong）和刘中原。他们的工作得到了量子跃迁中心（CenterforQuantumLeaps）的部分支持。量子跃迁中心是艺术与科学战略计划的一个标志性倡议，旨在将量子见解和技术应用于物理学、生物医学和生命科学、药物发现以及其他意义深远的领域。研究人员用氮原子轰击钻石，使其发生转变。其中一些氮原子会移位碳原子，从而在原本完美的晶体中产生缺陷。由此产生的空隙中充满了电子，这些电子具有自旋和磁性，其量子特性可被测量和操纵，应用范围十分广泛。正如Zu和他的团队之前通过对硼的研究揭示的那样，这种缺陷有可能被用作量子传感器，对周围环境和彼此间的环境做出反应。在新的研究中，研究人员关注的是另一种可能性：利用不完美的晶体来研究无比复杂的量子世界。经典计算机（包括最先进的超级计算机）不足以模拟量子系统，即使是只有十几个量子粒子的系统。这是因为每增加一个粒子，量子空间的维度就会呈指数增长。但新研究表明，使用可控量子系统直接模拟复杂的量子动力学是可行的。Zu说："我们精心设计我们的量子系统，创建一个模拟程序并让它运行。最后，我们观察结果。这是使用经典计算机几乎不可能解决的问题。"研究小组在这一领域取得的进展将有助于研究多体量子物理学中一些最令人兴奋的方面，包括实现物质的新阶段和预测复杂量子系统的突发现象。在最新的研究中，Zu和他的团队能够让他们的系统保持稳定长达10毫秒，这在量子世界中是很长的一段时间。值得注意的是，与其他在超低温条件下运行的量子模拟系统不同，他们的钻石系统是在室温条件下运行的。保持量子系统完好无损的关键之一是防止热化，即系统吸收大量能量后，所有缺陷都会失去其独特的量子特征，最终看起来一模一样。研究小组发现，他们可以通过快速驱动系统，使其来不及吸收能量，从而推迟这一结果的发生。这使得系统处于相对稳定的"预热"状态。这种基于钻石的新系统使物理学家能够同时研究多个量子区域的相互作用。它还为制造灵敏度越来越高的量子传感器提供了可能。"量子系统存在的时间越长，灵敏度就越高，"Zu说。Zu和他的团队目前正在与量子跃迁中心的其他华盛顿大学科学家合作，以获得跨学科的新见解。在艺术与科学领域，Zu正与物理学副教授ErikHenriksen合作，以提高传感器的性能。他还计划利用它们来更好地理解物理学助理教授盛然实验室创造的量子材料。他还与地球、环境和行星科学教授菲利普-斯基默（PhilipSkemer）合作，从原子层面观察岩石样本中的磁场；并与物理学助理教授尚卡尔-穆克吉（ShankarMukherji）合作，对活生物细胞中的热力学进行成像。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1388713.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1388713.htm

物理学家建造了一个量子“热泵”来检测暗物质

物理学家建造了一个量子“热泵”来检测暗物质荷兰代尔夫特理工大学的物理学家已经建造了一个由光粒子制成的量子规模的“热泵”。这个装置使科学家们更接近测量无线电频率信号的量子极限，这在寻找暗物质的过程中非常有用。如果你把两个不同温度的物体放在一起，比如把一瓶热的白葡萄酒放入一个冷的冰袋中，热量通常会朝一个方向流动，从热的（酒）流向冷的（冰袋）。如果你等待的时间足够长，两者都会达到相同的温度。这是一个在物理学中被称为达到平衡的过程：热流的一个方向和另一个方向之间的平衡。如果你愿意做一些工作，你可以打破这种平衡，使热量以"错误"的方式流动。这就是你的冰箱用来保持食物低温的原理，也是高效热泵的原理，它可以从外面的冷空气中获取热量来温暖你的房子。在他们的新研究中，GarySteele和他的同事展示了一个“热泵”的量子类似物，使光的基本量子粒子，即光子，从一个热物体“逆流”到一个冷物体。这项研究由来自代尔夫特理工大学、苏黎世联邦理工学院和图宾根大学的物理学家们进行。他们的工作于8月26日作为一篇开放性文章发表在《科学进展》杂志上。暗物质信号尽管物理学家们在之前的研究中已经将他们的设备用作热射频光子的“冷水浴”，但他们现在已经设法同时将其变成了一个“放大器”。有了内置的“放大器”，该装置对射频信号更加敏感。这就像从超导量子处理器出来的放大的微波信号所发生的一样。“这非常令人兴奋，因为我们可以更接近测量射频信号的量子极限，这些频率在其他方面很难测量。这种新的测量工具可能有很多应用，其中之一是寻找暗物质，”Steele说。该装置被称为光子压力电路，由冷却到只比绝对零度高几毫度的硅芯片上的超导电感和电容构成。虽然这听起来温度很低，但对于电路中的一些光子来说，这个温度是非常热的，它们被激发出热能。利用光子压力，科学家们可以将这些被激发的光子与更高频率的冷光子耦合，在以前的实验中，这使得他们能够将热光子冷却到其量子基态。在这项新工作中，物理学家们增加了一个新的转折点：通过向冷电路发送一个额外的信号，他们能够创造一个“马达”，放大冷光子并将其加热。同时，额外的信号将光子优先“泵送”到两个电路之间的一个方向。通过在一个方向比另一个方向更用力地推动光子，研究人员能够将电路的一部分的光子冷却到比另一部分更冷的温度，为超导电路中的光子创造一个量子版的“热泵”。PC版：https://www.cnbeta.com/articles/soft/1309247.htm手机版：https://m.cnbeta.com/view/1309247.htm