量子模拟突破：原子间距缩小至50纳米

量子模拟突破：原子间距缩小至50纳米 《科学》杂志论文截图在量子力学领域，邻近性占据主导地位。原子越近，它们的相互作用就越强。为了操纵和排列原子，科学家通常先将一团原子云冷却到接近绝对零度，然后使用激光束系统将原子限制在光陷阱中。此次，研究团队首先将原子云冷却到大约1微开尔文，仅比绝对零度高一点点，此时原子几乎处于静止状态。然后，他们用激光将冷冻粒子移动到所需位置。研究人员开发出一种技术，可以将原子排列间隔缩小至50纳米。图片来源：物理学家组织网研究人员使用了两束具有不同频率（颜色）和偏振角度的激光。当两束光穿过超冷原子云时，原子会沿着两束激光的偏振方向调整自旋方向，使光束产生两组相同原子，但是自旋相反。每束激光形成一个驻波，即电场强度在空间上呈周期性变化的图案，其空间周期为500纳米。由于它们的偏振不同，每个驻波都会吸引和聚集两组原子中的一组，这取决于它们的自旋。激光可重叠和调谐，使得它们各自的峰值之间距离只有50纳米，这意味着每个激光峰值所吸引的原子将以同样的50纳米隔开。实验中所用原子为镝，镝是自然界最具磁性的原子之一。研究团队用这种新方法操纵两层镝原子，并将两层之间的距离精确地定位为50纳米。在这种极近距离下，磁相互作用比两层之间相隔500纳米的情况强1000倍。研究团队发现，因原子接近而增强的磁力会导致“热化”，即热量从一层传递到另一层，以及各层之间的同步振荡。当层之间的距离拉大，这些效应就会逐渐减弱。研究人员表示，新技术还可用其他原子来研究量子现象。他们计划用该技术来操纵原子，使其形成一个纯磁性量子门，这是一种新型量子计算机的关键组成部分。 ... PC版： 手机版：

中国科大首次观测到多体配对赝能隙

中国科大首次观测到多体配对赝能隙 图1：图中头顶玉珠的两条鲤鱼，象征着一对自旋相反的费米子；龙门代表了超流相变和赝能隙。鲤鱼跃过龙门，表明配对发生在超流相变温度以上。这种配对现象反过来又导致赝能隙的出现。/制图：陈磊能隙的产生是超导的标志性现象。在常规超导体中，能隙存在于超导相变温度以下。随着铜氧化物高温超导体的发现，即使在超导相变温度以上，能隙仍然能够被观测到，这种现象被称为赝能隙。赝能隙的起源和性质可以为解答高温超导的机理问题提供关键线索。学术界普遍认为主要存在两种可能的赝能隙机制：一是来源于超导相变温度以上的电子多体预配对；二是来源于在高温超导体中发现的多种量子有序相，例如反铁磁序、条纹序和配对密度波等。但由于真实的高温超导材料体系非常复杂，各种可能的机制来源相互竞争，一直无法明确究竟是何种机制在起作用。强相互作用（幺正）极限下的超冷费米气体以其纯净性和可控性为赝能隙的机理研究提供了一个理想的量子模拟平台。一方面，费米原子之间的强吸引相互作用为多体配对创造了有利条件；另一方面，该体系可以避免多种量子有序相之间的竞争。因此，能否在该体系中观测到赝能隙，将成为对多体配对机制的决定性验证。然而，这一科学目标的实现面临着两项重大技术挑战，也是以往的工作一直未能取得突破的原因：首先，需要制备高品质、密度均匀的幺正费米气体；其次，要在超冷原子体系中开发类似角分辨光电子能谱的测量技术。经过多年的艰苦攻关，研究团队建立了超冷锂-镝原子量子模拟平台，实现了世界领先的均匀费米气体的制备。研究团队还发展了大磁场的稳定技术，在约700 G的磁场下，其短期波动优于25 μG，相对磁场稳定度接近10-8，比以往国际上的最优结果提升了一个数量级以上。在该超稳磁场下，研究团队得以成功实现超冷原子动量可分辨的微波谱学技术。在此基础上，研究团队系统地测量了不同温度下的幺正费米气体的单粒子谱函数，并成功观测到了赝能隙的存在，为电子预配对假说提供了支持（如图2所示）。图2.单粒子谱示意。连接和独立的小球分别代表库珀对和单粒子，曲面间隙为赝能隙。/制图：陈磊该研究工作不仅推进了强关联多体系统的研究，也为完善多体理论提供了重要的实验依据。此外，该工作中发展的超冷原子量子调控技术为下一步研究其它重要的凝聚态物理现象，如单带超流、条纹相、FFLO超流等奠定了技术基础。Nature杂志的审稿人一致认为，“这项工作解决了一个长期存在的重要物理问题，是量子模拟研究的里程碑进展。”中国科大相关研究团队近年来在基于超冷原子的量子模拟方面开展了卓有成效的工作，已先后在Nature和Science发表了10篇高质量论文。在前期技术积累的基础上，超冷原子量子模拟已经开始显现出揭示包括高温超导机制在内的复杂物理系统规律的显著效用，为在近期构建具备解决实际问题能力的专用量子模拟机铺平了道路。斯威本科技大学胡辉和中国科学技术大学陈启瑾是该工作的理论合作者。本项研究获得了科技部、国家自然科学基金委、中科院、安徽省、上海市和新基石科学基金会等的支持。论文链接： ... PC版： 手机版：

量子气体显微镜QUIONE利用开创性的锶显微技术深入研究材料的微观特性

量子气体显微镜QUIONE利用开创性的锶显微技术深入研究材料的微观特性 量子物理学需要高精度传感技术来深入研究材料的微观特性。从最近出现的模拟量子处理器来看，所谓的量子气体显微镜已被证明是在原子层面了解量子系统的强大工具。这些设备可以产生分辨率极高的量子气体图像：它们可以检测到单个原子。现在，ICFO研究人员（西班牙巴塞罗那）Sandra Buob、Jonatan Höschele、Vasiliy Makhalov博士和Antonio Rubio-Abadal博士，在ICFO的ICREA教授Leticia Tarruell的领导下，解释了他们是如何制造出自己的量子气体显微镜的，该显微镜以希腊雪女神命名为QUIONE。该小组的量子气体显微镜是世界上唯一一台对锶量子气体的单个原子进行成像的显微镜，也是西班牙第一台此类显微镜。除了可以分辨单个原子的极具冲击力的图像之外，QUIONE 的目标是量子模拟。正如 ICREA 教授 Leticia Tarruell 所解释的那样："量子模拟可以用来将非常复杂的系统归结为更简单的模型，进而理解当前计算机无法回答的开放性问题，例如为什么有些材料即使在相对较高的温度下也能无损耗地导电"。玻璃池图片，中间为锶气云 图源：ICFOICFO 小组在这一领域的研究获得了国家层面（西班牙皇家物理学会的奖励，以及 BBVA 基金会、Ramón Areces 基金会、La Caixa 基金会和 Cellex 基金会的项目和赠款）和欧洲层面（包括一个 ERC 项目）的支持。此外，作为加泰罗尼亚政府推广量子技术承诺的一部分，QUIONE 还得到了加泰罗尼亚政府通过企业与工作部数字政策秘书处提供的共同资助。这项实验的奇特之处在于，他们成功地将锶气体带入量子态，将其置于光学晶格中，使原子可以通过碰撞产生相互作用，然后应用单原子成像技术。这三个因素加在一起，使 ICFO 的锶量子气体显微镜在同类产品中独一无二。实验室地图和量子模拟器的位置。资料来源：ICFO为什么是锶？迄今为止，这些显微镜装置依赖于锂和钾等碱性原子，与锶等碱土原子相比，锂和钾的光学光谱特性更为简单。这意味着在这些实验中，锶可以提供更多的成分。事实上，近年来，锶的独特性质使其成为量子计算和量子模拟领域非常受欢迎的应用元素。例如，锶原子云可以用作原子量子处理器，从而解决目前经典计算机所无法解决的问题。总之，ICFO 的研究人员看到了锶在量子模拟方面的巨大潜力，他们开始着手制造自己的量子气体显微镜。QUIONE 就是这样诞生的。实验室中的团队。从左至右Sandra Buob、Antonio Rubio-Abadal、Vasiliy Makhalov、Jonatan Höschele 和 Leticia Tarruell。资料来源：ICFO为此，他们首先降低了锶气体的温度。利用几束激光的作用力，原子的速度可以降低到几乎不动的程度，几乎不移动，在短短几毫秒内就能将温度降低到几乎绝对零度。然后，量子力学定律就会支配它们的行为，原子就会显示出量子叠加和纠缠等新特征。之后，在特殊激光器的帮助下，研究人员激活了光晶格，使原子沿着空间排列成网格状。"你可以把它想象成一个鸡蛋盒，其中的各个位置实际上就是你放鸡蛋的地方。但我们用原子代替了鸡蛋，用光学晶格代替了纸盒，"文章的第一作者桑德拉-布布解释说。"蛋杯"中的原子相互影响，有时会发生量子隧道效应，从一个地方移动到另一个地方。原子间的这种量子动力学模拟了某些材料中电子的量子动力学。因此，对这些系统的研究有助于理解某些材料的复杂行为，而这正是量子模拟的关键理念。气体和光学晶格准备就绪后，研究人员立即用显微镜拍摄了图像，终于可以逐个原子地观察锶量子气体了。至此，"QUIONE"的建造工作已经取得了成功，但它的创造者们还想从中获得更多。因此，除了照片之外，他们还拍摄了原子的视频，并能够观察到，虽然原子在成像过程中应该保持静止，但它们有时会跳到附近的晶格部位。这可以用量子隧道现象来解释。"原子从一个位置"跳"到另一个位置。这是非常美丽的景象，因为我们亲眼目睹了原子固有量子行为的直接表现。最后，研究小组利用他们的量子气体显微镜证实，锶气体是一种超流体，一种没有粘性的物质流动的量子相。"我们突然关闭了晶格激光器，这样原子就可以在空间膨胀并相互干涉。由于超流体中原子的波粒二象性，这就产生了干涉图案。"安东尼奥-鲁比奥-阿巴达尔博士解释说："当我们的设备捕捉到它时，我们验证了样品中超流体的存在。""对于量子模拟来说，这是一个非常激动人心的时刻，"ICREA 教授莱蒂西亚-塔鲁埃尔（Leticia Tarruell）说。"现在，我们的量子气体显微镜中又增加了锶，也许不久之后我们就能模拟更复杂、更奇特的材料。新的物质相有望出现。我们还期望获得更强的计算能力，将这些机器用作模拟量子计算机。"编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：

研究人员开发出一种利用磁子传输量子信息的新方法

研究人员开发出一种利用磁子传输量子信息的新方法 HZDR 的研究人员成功地在磁盘中产生了类似于波的激发即所谓的磁子来专门操纵碳化硅中原子大小的量子比特。这为量子网络中的信息传输开辟了新的可能性。图片来源：HZDR / Mauricio Bejarano为了满足这一需求，德累斯顿-罗森多夫亥姆霍兹中心（HZDR）的一个研究小组现在推出了一种传输量子信息的新方法：该小组通过利用磁子（磁性材料中的波状激起）的磁场来操纵量子比特（即所谓的量子比特），磁子发生在微观磁盘中。研究人员在《科学进展》（Science Advances）杂志上发表了他们的研究成果。建造可编程的通用量子计算机是当代最具挑战性的工程和科学研究之一。这种计算机的实现为物流、金融和制药等不同行业领域带来了巨大潜力。然而，由于量子计算机技术在存储和处理信息时存在固有的脆弱性，因此阻碍了实用量子计算机的建造。量子信息被编码在量子比特中，而量子比特极易受到环境噪声的影响。微小的热波动（几分之一度）就可能完全破坏计算。这促使研究人员将量子计算机的功能分布在不同的独立构件中，以努力降低出错率，并利用这些构件的互补优势。"然而，这就带来了一个问题，即如何在模块之间传输量子信息，使信息不会丢失，"HZDR 研究员、该刊物第一作者毛里西奥-贝哈拉诺（Mauricio Bejarano）说。"我们的研究正是在这个特定的利基上，在不同的量子模块之间传输通信。"目前，传输量子信息和寻址量子比特的既定方法是通过微波天线。这是Google和 IBM 在其超导芯片中使用的方法，也是在这场量子竞赛中处于领先地位的技术平台。"而我们则是通过磁子来寻址量子比特。磁子可被视为穿过磁性材料的磁激发波。这样做的好处是，磁子的波长在微米范围内，比传统微波技术的厘米波短得多。因此，磁子的微波足迹在芯片中花费的空间更少。HZDR 小组研究了磁子与碳化硅晶体结构中硅原子空位形成的量子比特的相互作用，碳化硅是一种常用于大功率电子器件的材料。这类量子比特通常被称为自旋量子比特，因为量子信息是由空位的自旋状态编码的。但是，如何利用磁子来控制这类量子比特呢？"通常情况下，磁子是通过微波天线产生的。"贝哈拉诺解释说："这就带来了一个问题，即很难将来自天线的微波驱动与来自磁子的微波驱动分离开来。"为了将微波从磁子中分离出来，HZDR 团队利用了一种在镍铁合金微观磁盘中可以观察到的奇特磁现象。"由于非线性过程，磁盘内的一些磁子具有比天线驱动频率低得多的频率。我们只用这些频率较低的磁子来操纵量子比特"。研究小组强调，他们还没有进行任何量子计算。不过，他们表明，完全用磁子处理量子比特从根本上是可行的。"迄今为止，量子工程界还没有意识到磁子可以用来控制量子比特，"Schultheiß强调说。"但我们的实验证明，这些磁波确实可以派上用场"。为了进一步发展他们的方法，研究小组已经在为未来的计划做准备：他们想尝试控制几个间距很近的单个量子比特，让磁子介导它们的纠缠过程这是进行量子计算的先决条件。他们的设想是，从长远来看，磁子可以被直接电流激发，其精确度可以达到在量子比特阵列中专门针对单个量子比特。这样就可以将磁子用作可编程量子总线，以极其有效的方式寻址量子比特。虽然未来还有大量工作要做，但该研究小组的研究强调，将磁子系统与量子技术相结合，可以为未来开发实用量子计算机提供有益的启示。编译自:ScitechDaily ... PC版： 手机版：

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Frank Wilczek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Peter Zoller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： 手机版：

科学家在实验室制造出至今最冷物质

科学家在实验室制造出至今最冷物质 根据发表在《Nature Physics》期刊上的一项研究，日美科学家在实验室内制造出至今。 在最新研究中，科学家使用激光，限制了 30 万个原子在光学晶格内的运动。该实验模拟了理论物理学家约翰·哈伯德于1963年首次提出的量子物理模型哈伯德模型。该模型允许原子展示不寻常的量子特性，包括电子之间的集体行为，如超导（导电而不损失能量）等。研究人员称，他们造出的冷却物质甚至比太空中已知最冷的区域旋镖星云还要冷，旋镖星云距离地球 3000光年，是围绕在半人马座中一颗垂死恒星周围的一团气体云。科学家们认为，旋镖星云正被星云中心垂死恒星喷出的冷膨胀气体冷却，因此此处的温度比宇宙其他部分还要冷，约为 1 开尔文或零下272摄氏度，仅比绝对零度（零下273.15摄氏度）高1摄氏度。但在最新实验中，镱原子的温度比旋镖星云的温度还要低。 来自：雷锋 频道：@kejiqu 群组：@kejiquchat 投稿：@kejiqubot