DAOrayaki |第一个基于拓扑绝缘体的混合量子比特

根据麦立思(MarketsandMarkets)最近发布的市场研究报告《量子计算市场与COVID-19的影响,按提供(系统和服务)、部署类型(企业内部和基于云)、应用、技术、终端行业和地区——全球预测至2026年》,量子计算市场预计将从2021年的4.72亿美元增长到2026年的17.65亿美元,复合增长率为30.2%。量子计算在银行和金融领域的早期采用预计将推动全球市场的增长。

DAOrayaki |第一个基于拓扑绝缘体的混合量子比特

根据麦立思(MarketsandMarkets)最近发布的市场研究报告《量子计算市场与COVID-19的影响,按提供(系统和服务)、部署类型(企业内部和基于云)、应用、技术、终端行业和地区——全球预测至2026年》,量子计算市场预计将从2021年的4.72亿美元增长到2026年的17.65亿美元,复合增长率为30.2%。量子计算在银行和金融领域的早期采用预计将推动全球市场的增长。

DAOrayaki DAO研究奖金池:

资助地址:  DAOrayaki.eth

投票进展:DAO Reviewer  1/0 通 过

赏金总量:150 USD

研究种类:Quantum Computing, New Research

原文作者:   Paradigm

创作者:xinyang@DAOrayaki.org

审核者:Yofu@DAOrayaki.org

原文:  QT/ First hybrid quantum bit based on topological insulators

TL;DR

  • 凭借其优越的特性,拓扑量子比特可以帮助我们在开发通用量子计算机方面取得突破性进展。到目前为止,还没有人成功地在实验室中清晰地展示了这种量子比特,或简称为Qubit。科学家们现在已经成功地将一个拓扑绝缘体集成到一个常规的超导量子位中。
  • 研究人员利用一个基于波导的模块化光源成功地产生了强烈的非经典光。通过结合一个为量子实验创建的波导光参数放大器(OPA)模块和一个专门设计的光子检测器,研究人员能够产生相干状态叠加的光。这一成就代表着向创造更快、更实用的光量子计算机迈出了关键一步。
  • 碾磨大米以将谷物与谷壳分离,每年在全球范围内产生约1亿吨的稻壳垃圾。寻找一种可扩展的方法来制造量子点的科学家们已经开发出一种方法来回收稻壳,以制造第一个硅量子点LED灯。他们的新方法以一种低成本、环保的方式将农业废弃物转化为最先进的发光二极管。
  • 在一项可能加速下一代电子产品和LED设备研究的发现中,一个研究小组已经开发出一种可靠的、可扩展的方法,用于在石墨烯上生长单层六方氮化硼。
  • 根据圣安德鲁斯大学领导的新研究,使用一种古老的纳米比亚宝石制成的特殊形式的光可能是新的光基量子计算机的关键,它可以解决长期存在的科学之谜。这项研究使用一种来自纳米比亚的自然开采的氧化亚铜(Cu2O)宝石来产生雷德伯格极子(Rydberg polaritons),这是人类创造的最大的光和物质的混合粒子。
  • 劳伦斯伯克利国家实验室的物理学家通过橡树岭领导力计算机构(Oak Ridge Leadership Computing Facility)的量子计算用户计划,利用一台 IBM Q 量子计算机来捕捉两个质子碰撞的部分计算。该计算可以显示出一个射出粒子发出额外粒子的概率。
  • 瞬移可能是一个通常保留在科幻小说中的概念,但研究人员已经证明,它可以用来避免量子水平上的通信渠道里的损失。该团队强调了围绕每一种形式的通信渠道(例如互联网或电话)所发生的固有损失问题,并发现了一种可以减少这种损失的机制。
  • 磁性是人类已知的最古老的技术之一,处于新时代材料的前沿,可以实现下一代无损电子和量子计算机。研究人员发现了一个新的“旋钮”来控制一种有前景的量子材料的磁性行为,这一发现可能为实现新颖、高效和超快速的设备铺平道路。
  • 魏茨曼科学研究所(Weizmann Institute of Science)的研究人员一直在努力设计新的和更先进的工具来研究一对原子之间的基本相互作用。在最近发表在《自然物理》上的一篇论文中,他们介绍了一种基于量子逻辑的新技术,可以用来研究超冷中性原子和冷离子之间的相互作用。
  • 加拿大银行、Multiverse Computing 完成了对加密货币市场的初步量子模拟。
  • 还有更多!

量子计算市场

根据麦立思(MarketsandMarkets)最近发布的市场研究报告《量子计算市场与COVID-19的影响,按提供(系统和服务)、部署类型(企业内部和基于云)、应用、技术、终端行业和地区——全球预测至2026年》,量子计算市场预计将从2021年的4.72亿美元增长到2026年的17.65亿美元,复合增长率为30.2%。量子计算在银行和金融领域的早期采用预计将推动全球市场的增长。促使量子计算市场增长的其他关键因素包括不同国家的政府不断增加投资,开展与量子计算技术有关的研究和开发活动。一些公司正专注于在后后COVID-19时代采用量子计算即服务QCaaS。这反过来预计将促进量子计算市场的增长。然而,稳定性和纠错问题预计会限制市场的增长。

根据《量子计算市场研究报告。按提供、部署类型、应用、技术、行业——行业份额、增长、驱动因素、趋势和需求预测至2030年》报告,量子计算市场预计到2030年将达到649.88亿美元。在预测期内,机器学习(ML)预计将在所有应用类别中以最高的年复合增长率发展,这是因为量子计算正被整合到 ML 中,以改进后者的应用水平。

最新研究

拓扑绝缘体约瑟夫森结在超导量子比特电路中的整合

作者:Tobias W. Schmitt, Malcolm R. Connolly, Michael Schleenvoigt, Chenlu Liu, Oscar Kennedy, José M. Chávez-Garcia, Abdur R. Jalil, Benjamin Bennemann, Stefan Trellenkamp, Florian Lentz, Elmar Neumann, Tobias Lindström, Sebastian E. de Graaf, Erwin Berenschot, Niels Tas, Gregor Mussler, Karl D. Petersson, Detlev Grützmacher, Peter Schüffelgen in Nano Letters

凭借其优越的特性,拓扑量子比特可以帮助实现为普遍应用而设计的量子计算机取得突破性进展。到目前为止,还没有人成功地在实验室中清晰地展示了这种量子比特,或简称为Qubit。然而,来自尤利希研究中心(Forschungszentrum Jülich)的科学家们现在已经在一定程度上实现了这一目标。他们首次成功地将一个拓扑绝缘体集成到一个传统的超导量子位中。

量子计算机被认为是未来的计算机。利用量子效应,它们有望为传统计算机无法在现实时间内处理的高度复杂问题提供解决方案。然而,这种计算机的广泛使用仍然是一个漫长的过程。目前的量子计算机通常只包含少量的量子比特。主要的问题是,它们极易出错。系统越大,就越难将其与环境完全隔离。

因此,许多人把希望寄托在一种新型的量子比特——拓扑量子比特。一些研究小组以及微软等公司都在追求这种方法。这种类型的量子比特表现出了它受拓扑学保护的特殊性;超导体的特殊几何结构以及其特殊的电子材料特性确保了量子信息得以留存。因此,拓扑量子比特被认为是特别稳健的,并且在很大程度上对外部退相干源具有免疫力。它们似乎还能实现快速切换时间,与谷歌和IBM在当前量子处理器中使用的传统超导量子比特所实现的时间相当。

然而,目前还不清楚我们是否能成功地制造拓扑量子比特。这是因为仍然缺乏合适的物质基础,无法在实验中毫无疑问地生成所需的特殊准粒子。这些准粒子也被称为马约拉纳态。直到现在,我们只能在理论上证明它们,而不是在实验中。由 Dr. Peter Schüffelgen 领导的尤利希研究中心的研究小组 PGI-9 首次构建的混合量子比特,正在该领域开辟新的可能性。它们已经在关键点上含有拓扑材料。因此,这种新型的混合量子比特为研究人员提供了一个新的实验平台,以测试拓扑材料在高度敏感的量子电路中的行为。

使用连续波低损耗波导光参量放大器产生具有威格纳负性(Wigner negativity)的薛定谔猫状态

作者:Kan Takase, Akito Kawasaki, Byung Kyu Jeong, Mamoru Endo, Takahiro Kashiwazaki, Takushi Kazama, Koji Enbutsu, Kei Watanabe, Takeshi Umeki, Shigehito Miki, Hirotaka Terai, Masahiro Yabuno, Fumihiro China, Warit Asavanant, Jun-ichi Yoshikawa, Akira Furusawa in Optics Express

研究人员首次使用一个基于模块化波导的光源成功地产生了强非经典光。这一成就代表着向创造更快、更实用的光量子计算机迈出了关键一步。

实验设置:CW, Continuous Wave; AOM, Acousto-Optic Modulator; SHG, Second Harmonic Generation; EOM, Electro-Optic Modulator; OPA, Optical Parametric Amplifier; PBS, Polarization Beam Splitter; HWP, Half Wave Plate; LO, Local Oscillator; IF, Interference Filter; FC, Filter Cavity; FBG, Fiber Bragg Grating; SNSPD, Superconducting Nanostrip Photon Detector.

“我们的目标是通过开发更快的量子计算机来极大地改善信息处理,这种计算机可以无差错地进行任何类型的计算,"来自东京大学的研究小组成员高濑康说。"虽然有几种方法来创建量子计算机,但基于光的方法是有希望的,因为信息处理器可以在室温下运行,而且计算规模可以很容易地扩大。”

在Optica出版集团的《光学快报》(Optics Express)杂志上,一个来自日本的多机构研究小组描述了他们为量子实验创建的波导光参量放大器(OPA)模块。将这一装置与一个专门设计的光子探测器相结合,使他们能够产生一种被称为薛定谔猫的光的状态,这是一种相干状态的叠加。

“我们产生量子光的方法可用于提高量子计算机的计算能力,并使信息处理器更加紧凑,”高濑说。“我们的方法优于传统方法,而且模块化波导OPA很容易操作并集成到量子计算机中。”

连续波挤压光被用来产生执行量子计算所需的各种量子状态。为了获得最佳的计算性能,挤压光源必须表现出非常低的光损耗水平,并且是宽带的,这意味着它包括一个广泛的频率范围。

“我们希望提高光量子计算机的时钟频率,正常来说可以达到太赫兹的频率,”高濑说。“更高的时钟频率能够更快地执行计算任务,并允许缩短光路的延迟线。这使得光量子计算机更加紧凑,同时也使整个系统的开发和稳定更加容易。”

OPA使用非线性光学晶体来产生挤压光,但传统的OPA不能产生具有更快的量子计算所需特性的量子光。为了克服这一挑战,来自东京大学和NTT公司的研究人员开发了一种基于波导型设备的OPA,该设备通过将光限制在一个狭窄的晶体中实现了高效率。

通过精心设计波导和精密加工制造,他们能够创造出一种传播损耗比传统装置小得多的OPA装置。它还可以被模块化,用于量子技术的各种实验。

OPA装置被设计成在电信波长上产生挤压光,这个波长区域往往表现出低损耗。为了完成这个系统,研究人员需要一个高性能的光子检测器,在电信波长下工作。然而,基于半导体的标准光子探测器并不能满足这种应用的性能要求。

因此,来自东京大学和国家信息与通信技术研究所(NICT)的研究人员开发了一种专门为量子光学设计的探测器。新的超导纳米带光子检测器(SNSPD)使用超导技术来检测光子。

“我们把我们的新波导OPA和这个光子探测器结合起来,产生了一个高度非经典的——或说量子的——光的状态,称为薛定谔猫。”高濑说,“产生这种状态,在传统的、低效率的波导OPA中是很难做到的,这证实了我们的波导OPA的高性能,并为使用这种装置进行广泛的量子实验提供了可能性。”

研究人员现在正在研究如何将高速测量技术与新的波导OPA结合起来,以更接近他们的超高速光量子计算的目标。

https://opg.optica.org/oe/fulltext.cfm?uri=oe-30-9-14161&id=471332

石墨烯上单层六方氮化硼的可扩展的合成与巨带隙重化

作者:Ping Wang, Woncheol Lee, Joseph P. Corbett, William H. Koll, Nguyen M. Vu, David Arto Laleyan, Qiannan Wen, Yuanpeng Wu, Ayush Pandey, Jiseok Gim, Ding Wang, Diana Y. Qiu. Qiu, Robert Hovden, Mackillo Kira, John T. Heron, Jay A. Gupta, Emmanouil Kioupakis, Zetian Mi in Advanced Materials

密歇根大学的一个研究小组开发了第一个可靠的、可扩展的在石墨烯上生长单层六方氮化硼(hBN)的方法,这一发现可以加速对下一代电子产品和LED设备的研究。

发表在《先进材料》杂志的一项研究详细介绍了这一工艺,它可以用广泛使用的分子束外延工艺(MBE)生产大面积的高质量hBN(即六方氮化硼)。

石墨烯-hBN结构可以为产生深紫外光的LED提供动力,这在今天的LED中是不可能的,U-M 电气工程和计算机科学教授、该研究的通讯作者 Zetian Mi 说。深紫外光 LED 可以在包括激光器和空气净化器在内的各种设备中实现更小的尺寸和更高的效率。

“今天用于产生深紫外光的技术是汞氙灯,这种灯很热、笨重、效率低,而且含有有毒物质,”Mi说,“如果我们能用LED产生这种光,我们就可以看到紫外线器件的效率革命,和我们看到LED灯泡取代白炽灯时的情况一样。”

六方氮化硼是世界上最薄的绝缘体,而石墨烯是一类被称为半金属的材料中最薄的,它们具有高度可塑的电气特性,并因其在计算机和其他电子产品中的作用而非常重要。

将hBN和石墨烯粘合在一起形成光滑的单原子厚的层,可以释放出大量的奇异特性。除了深紫外LED之外,石墨烯-hBN结构可以实现量子计算设备、更小和更有效的电子和光电子以及其他各种应用。

“研究人员知道hBN的特性已有多年,但在过去,获得研究所需的薄膜的唯一方法是从较大的氮化硼晶体中进行物理剥离,这是很低效的工作,而且只能得到极小的片状材料,”Mi 说,“我们的工艺可以生长出基本上是任何尺寸的原子级薄膜,这开启了许多令人兴奋的新研究的可能性。”

由于石墨烯和hBN非常薄,它们可以被用来建造比现在的电子设备更小、更节能的设备。hBN和石墨烯的层状结构还可以表现出异乎寻常的特性,可以在量子计算设备中存储信息,比如从导体切换到绝缘体的能力,或者支持不寻常的电子自旋。

虽然研究人员过去曾试图用溅射和化学气相沉积(CVD)等方法合成薄薄的hBN层,但他们难以获得与石墨烯层正确结合所需的均匀、精确有序的原子层。

“为了得到一个有用的产品,你需要一致的、有序的hBN原子行,与下面的石墨烯对齐,而以前的方法并不能实现这一点,”电气工程和计算机科学的博士后研究员王平说,“一些hBN整齐地排列着,但许多区域又是无序的,随机排列的。”

由电气工程和计算机科学、材料科学和工程以及物理学研究人员组成的团队发现,整齐的hBN原子行在高温下比不受欢迎的锯齿状结构更稳定。掌握了这一知识后,王平开始用分子束外延(MBE)进行实验,这是一个相当于将单个原子喷涂到基底上的工业过程。

王平使用了一个梯形石墨烯基底——基本上是一个原子级的楼梯——并将其加热到1600摄氏度左右,然后喷上单个硼和活性氮原子。结果远远超出了团队的预期,在石墨烯的梯形边缘形成了整齐有序的hBN条带,这些条带接着扩展成宽的材料带。

“多年来,用大量的原始hBN进行实验是一个遥远的梦想,但是这一发现改变了这一点。”Mi 说,“这是迈向2D量子结构商业化的一大步。”

如果没有来自不同学科的合作,这项成果是不可能实现的。支撑部分工作的数学理论来自密歇根大学和耶鲁大学的电气工程和计算机科学以及材料科学和工程的研究人员。

来自回收稻壳的橙红色硅量子点LEDs

作者:Shiho Terada, Honoka Ueda, Taisei Ono, Ken-ichi Saitow in ACS Sustainable Chemistry & Engineering

碾磨大米过程中分离的稻壳,使全球每年产生约1亿吨的垃圾。寻找一种可扩展的方法来制造量子点的科学家们已经开发出一种方法来回收稻壳,以制造出第一个硅量子点(QD)LED灯。他们的新方法以一种低成本、环保的方式将农业废弃物转化为最先进的发光二极管。

“由于典型的QDs通常涉及有毒材料,如镉、铅或其他重金属,在使用纳米材料时,人们经常考虑环境问题。我们提出的QDs工艺和制造方法将这些问题降至最低,”研究的主要作者、广岛大学化学教授 Ken-ichi Saitow 说。

自从多孔硅(Si)在20世纪50年代被发现以来,科学家已经探索了它在锂离子电池、发光材料、生物医学传感器和药物输送系统中的应用。硅无毒且在自然界中大量存在,它具有发光特性,源于其作为半导体的微观(量子大小)点结构。

意识到围绕目前的量子点的环境问题,研究人员开始寻找一种具有积极环境影响的制造量子点的新方法。事实证明,废稻壳是高纯度二氧化硅(SiO2)和增值硅粉的绝佳来源。

该研究小组使用研磨、热处理和化学蚀刻相结合的方法来处理稻壳中的硅石。首先,他们研磨稻壳,并通过燃烧掉研磨过的稻壳的有机化合物提取二氧化硅(SiO2)粉末。第二,他们在电炉中加热所得的硅粉,通过还原反应获得硅粉。第三,产品是纯化的硅粉,通过化学蚀刻进一步缩小到3纳米大小。最后,对其表面进行化学功能化处理,以获得高化学稳定性和在溶剂中的高分散性,3纳米的结晶颗粒产生了SiQDs(即硅量子点),它在橙红色范围内发光,发光效率高达20%以上。

“这是第一个从废旧稻壳中开发LED的研究,”Saitow说,他补充道硅的无毒品质使它们成为目前可用的半导体量子点的一个有吸引力的替代品。

"这是从天然产品中开发环境友好型量子点LED的好方法,"他说。

LED被组装成一系列的材料层。一个氧化铟锡(ITO)玻璃基底是LED的阳极;它是一个良好的电导体,同时对光线有足够的透明度。其他层被旋涂在ITO玻璃上,包括SiQDs层。材料之上覆盖了一个铝膜阴极。

该团队开发的化学合成方法使他们能够评估SiQD发光二极管的光学和光电特性,包括二氧化硅和硅粉以及SiQD的结构、合成产量和特性。

“通过从丰富的谷壳中合成高产的SiQDs并将其分散在有机溶剂中,有一天这套工艺有可能被大规模实施,就像其他高产的化学工艺一样,”Saitow说。

该团队的下一步工作包括通过SiQDs和LED获得更高效率的发光。他们还将探索生产他们刚刚创造的橙红色以外的SiQD LEDs的可能性。展望未来,科学家们表示,他们开发的方法可以应用于其他植物,如甘蔗竹子、小麦、大麦或草,这些植物含有SiO2。这些天然产品和它们的废料可能具有被转化为无毒光电器件的潜力。最终,科学家们希望看到这种利用稻壳废料制造发光设备的生态友好方法能够实现商业化。

Cu2O微腔中的里德堡极化子(Rydberg exciton–polaritons)

作者:Konstantinos Orfanakis et al in Nature Materials

根据圣安德鲁斯大学领导的新研究,使用一种古老的纳米比亚宝石制造的特殊形式的光可能是新的光基量子计算机的关键,它可以解决长期存在的科学之谜。这项研究是与美国哈佛大学、澳大利亚麦考瑞大学和丹麦奥胡斯大学的科学家合作进行的,发表在《自然·材料》杂志上,它使用一种来自纳米比亚的自然开采的氧化亚铜(Cu2O)宝石来产生里德堡极化子,这是迄今为止创造的最大的光和物质混合粒子。

里德堡极化子不断地从光切换到物质,然后再切换回来。在里德堡极化子中,光和物质就像硬币的两面,而物质那一面是使偏振子相互作用的原因。

这种相互作用是至关重要的,因为这正是创造量子模拟器的原因,这是一种特殊类型的量子计算机,信息被储存在量子比特中。这些量子比特,与经典计算机中只能为0或1的二进制比特不同,可以取0和1之间的任何数值,因此它们可以存储更多的信息,并同时执行几个进程。

这种能力可以使量子模拟器解决物理学、化学和生物学的重要谜题,例如,如何为高速列车制造高温超导体,如何制造可能解决全球饥饿问题的更便宜的肥料,或者蛋白质如何折叠能生产更有效的药物。

项目负责人、圣安德鲁斯大学物理和天文学学院的 Dr. Hamid Ohadi 说:“用光制作一个量子模拟器就像是科学的圣杯。我们通过创造里德堡极化子——它的关键成分——实现了这一巨大飞跃”。

为了创造里德堡极化子,研究人员将光困在两个高度反射的镜子之间。然后,从纳米比亚开采的石头中提取的氧化亚铜晶体被削薄和打磨成30微米厚的平板(比人的头发丝还细),并夹在两面镜子之间,使里德堡极化子比以前展示的大100倍。

主要作者之一、圣安德鲁斯大学物理和天文学学院的 Dr. Sai Kiran Rajendran 说,“在eBay上购买石头很容易。挑战在于制作存在于极窄颜色范围内的里德堡极化子。”

该团队目前正在进一步完善这些方法,以探索制作量子电路的可能性,这是量子模拟器的下一个工作。

https://www.nature.com/articles/s41563-022-01230-4

使用有效场理论在量子计算机上模拟对撞机物理学

作者 Christian W. Bauer et al in Physical Review Letters

劳伦斯伯克利国家实验室的物理学家Christian Bauer、Marat Freytsis和Benjamin Nachman通过橡树岭领导力计算机构的量子计算用户计划,利用一台IBM Q量子计算机捕捉了两个质子碰撞的部分计算。该计算可以显示出一个射出粒子将发出额外粒子的概率。

在该团队最近发表在《物理评论快报》上的论文中,研究人员描述了他们如何使用一种叫做有效场理论的方法将他们的完整理论分解成各个组成部分。最终,他们开发了一种量子算法,允许在量子计算机上计算其中的一些组件,而将其他计算留给传统计算机。

从三个晶格点和每个晶格点nQ=2个量子比特的威尔逊线真空到真空和最低的单一激发态的过渡率的结果。实线显示的是没有场数字化的分析结果,而虚线代表的是我们电路的量子模拟器的结果。黑色的数据点显示了来自 65-qbit 的IBMQ曼哈顿量子计算机的结果,同时校正了读出误差和CNOT门的误差,灰色带显示了来自CNOT误差校正的外推误差。研究人员只展示了来自曼哈顿计算机的X=Ω的结果,因为测量激发态的电路太深,无法给出可靠的结果。

“对于一个接近自然的理论,我们表明这在理论上是如何工作的。然后我们采用了该理论的一个非常简化的版本,并在量子计算机上进行了明确的计算,” Nachman 说。

伯克利实验室的团队旨在通过观察实验室环境中的高能粒子碰撞,例如瑞士日内瓦的大型强子对撞机,来发现关于自然界最小的构建块的见解。该团队正在通过使用计算将预测结果与实际碰撞碎片进行比较来探索这些碰撞中发生的情况。

“这类计算的困难之一是,我们想要描述一个范围很广的能量,”Nachman说,“我们想通过分析飞入我们探测器的相应粒子来描述从最高能量的过程到最低能量的过程。”

仅仅使用量子计算机来解决这类计算,需要的量子比特数量远远超出了目前可用的量子计算资源。该团队可以在经典系统上使用近似值计算这些问题,但这些近似值忽略了重要的量子效应。因此,该团队的目标是将计算分成不同的块,这些块既适合于经典系统,也适合于量子计算机。

该团队通过美国能源部橡树岭国家实验室的OLCF的QCUP项目在IBM Q上进行了实验,以验证他们开发的量子算法在小范围内再现了预期的结果,这些结果仍然可以用经典计算机进行计算和确认。

“这是一个绝对关键的演示问题,Nachman说,“对我们来说,重要的是我们在理论上描述这些粒子的特性,然后在量子计算机上实际实现它们的一个版本。当你在量子计算机上运行时,出现的很多挑战在理论上不会发生。我们的算法可以扩展,所以当我们得到更多的量子资源时,我们将能够进行我们在经典系统上无法进行的计算。”

该团队还旨在使量子计算机更加可用,以便能够处理各种科学问题。量子计算机存在噪音,这种噪音会在计算中引入错误。因此,该团队还部署了他们在以前工作中开发的降噪技术。

接下来,该团队希望增加问题的维度,将他们的空间分成更少的点,并扩大问题的规模。最终,他们希望在量子计算机上进行经典计算机无法实现的计算。

“通过ORNL的IBM Q协议提供的量子计算机有大约100个量子比特,所以我们应该能够扩展到更大的系统规模,”Nachman说。

研究人员还希望放宽他们的近似值,并转向更贴近自然的物理问题,以便他们能够进行超越概念证明的计算。

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.127.212001

量子信道校正的性能优于直接传输

作者:Sergei Slussarenko et al in Nature Communications

瞬移可能是一个通常保留在科幻小说中的概念,但研究人员已经证明,它可以用来避免在量子水平上的通信渠道损失。包括格里菲斯大学量子动力学中心的研究人员在内的研究小组强调了每一种形式的通信渠道(例如互联网或电话)中发生的固有损耗问题,并发现了一种可以减少这种损耗的机制。

通过有损信道的量子态传输的概念性示意图,分别是有校正和无校正的情景。a 一个量子态,这里是一个以单一模式“e”编码的量子比特,通过一个有损的信道传输,这降低了状态质量。b 是在损失后,通过使用预示放大器(HA)对噪声状态进行校正。模式“a”携带着为HA提供动力的安拉光子。HA的操作有一个独立的成功信号,所以不需要后选(postselection)。c 通过增加一个模式纠缠状态|ψfe⟩,HA的成功预示着一个噪声校正的量子通道。这可以在成功后通过“g”和“f”之间的贝尔状态测量(BSM)将模式“g”中的量子比特传送到模式“v”上。d 相比起通过有损或校正信道传送量子比特|ψin⟩,有可能传送一半的纠缠态,在最后一种情况下通过预示的校正信道导致分布纠缠。

Professor Geoff Pryde、Dr. Sergei Slussarenko、Dr. Sacha Kocsis和Dr. Morgan Weston以及来自昆士兰大学和美国国家标准与技术研究院的研究人员说,这一发现是实现“量子互联网”的重要一步,它将带来今天的网络无法获得的前所未有的能力。

Dr. Slussarenko说,这项研究首次证明了一种能提高信道性能的降噪方法。

他说:“首先,我们看了通过我们的通道传输的原始数据,可以看到使用我们的方法比不使用该方法的信号更好。”

“在我们的实验中,我们首先通过损失发送一个光子——这个光子没有携带任何有用的信息,所以失去它并不是一个大问题。然后我们可以通过格里菲斯大学和昆士兰大学开发的一种叫做无噪音线性放大器的设备来纠正损失的影响。”

“它可以恢复丢失的量子态,但不能总是成功,有时会失败。然而,一旦恢复成功,我们就会使用另一种纯量子协议——称为量子态远程传输——将我们想要传输的信息传送到现在的修正载体中,避免了信道上的所有损失。”

量子技术有望给我们的信息社会带来革命性的变化,量子通信开发的方法,如本研究中展示的方法,以极其安全的方式传输数据,使其不可能被第三方获取。

“短距离的量子加密已经在商业上使用,然而,如果我们想实现一个全球量子网络,光子损失就成为问题,因为它是不可避免的。”Dr. Slussarenko 说,“我们的工作实现了量子中继,这是这个长距离通信网络的一个关键成分。无克隆定理禁止对未知的量子数据进行复制,因此如果携带信息的光子丢失,它所携带的信息就会永远消失。一个有效的长距离量子通信通道需要一种机制来减少这种信息损失,这正是我们在实验中所做的。”

Dr. Slussarenko说,这项研究的下一步是将误差降低到团队可以实现长距离量子密码学的水平,并使用现实生活中的光学基础设施测试该方法,例如那些基于光纤的互联网所使用的。

https://www.nature.com/articles/s41467-022-29376-4

MnBi2Te4中的层间磁声耦合

作者:Hari Padmanabhan, Maxwell Poore, Peter K. Kim, Nathan Z. Koocher, Vladimir A. Stoica, Danilo Puggioni, Huaiyu (Hugo) Wang, Xiaozhe Shen, Alexander H.Reid, Mingqiang Gu, Maxwell Wetherington, Seng Huat Lee, Richard D. Schaller, Zhiqiang Mao, Aaron M. Lindenberg, Xijie Wang, James M. Rondinelli, Richard D. Averitt, Venkatraman Gopalan in Nature Communications

磁性是人类已知的最古老的技术之一,它处于新时代材料的前沿,可以实现下一代的无损电子和量子计算机。由宾夕法尼亚州立大学和加州大学圣地亚哥分校领导的研究人员发现了一个新的“旋钮”来控制一种有前景的量子材料的磁性行为,这些发现可能为实现新颖、高效和超快速的设备铺平道路。

跨越MnBi2Te4磁性相变的声子反常现象。a. MnBi2Te4的晶体结构。b. A1g(1)和A1g(2)模式的同向位移,箭头表示离子的位移。c, d A1g(1)©和A1g(2)(d)模式在顺磁(PM)和反铁磁(AFM)相的拉曼光谱在0T时分别显示为红色和蓝色。e, f A1g(1)(e)和A1g(2)(f)模式在AFM和铁磁(FM)相的拉曼光谱在5K时分别显示为蓝色和紫色。(g, h) AFM和FM阶段的光谱之间的差异。i, j 减去9T光谱后的差异的等值线图,作为磁场的函数。虚线表示调频和自旋翻转的临界场。

作为宾夕法尼亚州立大学的一名研究生,领导这项研究的Hari Padmanabhan说:“这种材料——碲化铋锰——的独特量子力学构成使它能够携带无损的电流,这是具有巨大技术意义的事情...使这种材料特别引人注意的是,这种行为与它的磁特性有很深的联系。因此,在这种材料中控制磁性的旋钮也可以有效地控制这些无损电流。”

科学家们说,碲化铋锰是一种由原子级薄层堆积而成的二维材料,是拓扑绝缘体的一个例子,是同时可以成为绝缘体和电导体的奇异材料。重要的是,由于这种材料也具有磁性,在其边缘传导的电流可能是无损的,这意味着它们不会以热的形式损失能量。找到一种方法来调整该材料各层之间的弱磁键,就能拥有这些功能。

“声子是微小的原子摆动--原子以各种模式在一起跳舞,存在于所有材料中,”Padmanabhan说。“我们表明,这些原子摆动有可能作为一个旋钮来调整碲化铋锰原子层之间的磁性结合。”

宾夕法尼亚州立大学的科学家们使用一种叫做磁光光谱学的技术来研究这种材料——将激光射向材料样品并测量反射光的颜色和强度,反射光带有原子振动的信息。该小组观察了振动如何随着他们改变温度和磁场而发生变化。

当他们改变磁场时,科学家们观察到声子强度的变化。科学家们说,这种效应是由于声子影响了薄弱的层间磁键。

“使用温度和磁场来改变材料的磁性结构——就像使用冰箱磁铁来磁化针状罗盘一样——我们发现声子强度与磁性结构密切相关,”加州大学圣地亚哥分校的研究生和该研究的共同作者Maxwell Poore说,“将这些发现与理论计算结合起来,我们推断这些原子振动改变了这种材料的跨层磁力结合。”

加州大学圣地亚哥分校的科学家们进行了实验,实时跟踪这些原子振动。科学家们说,这些声子的振荡速度超过每秒一万亿次,比现代计算机芯片快许多倍。例如,一个3.5千兆赫的计算机处理器,其工作频率为每秒35亿次。

加州大学圣地亚哥分校的研究生、该论文的共同作者 Peter Kim 说:“这一结果的美妙之处在于,我们在不同的机构用不同的互补性实验方法研究了这种材料,而且它们都明显地趋向于同一画面”

科学家们说,需要进一步研究以直接使用磁性旋钮。但是如果能够实现的话,它可能会带来能够有效和可逆地控制无损电流的超高速设备。

宾夕法尼亚州立大学材料科学与工程和物理学教授Venkatraman Gopalan是Padmanabhan的前顾问,也是该论文的共同作者,他说:“制造更快、更强大的电子处理器的一个主要挑战是它们会加热。加热会浪费能源。如果我们能够找到有效的方法来控制承载无损电流的材料,这将有可能使我们在未来的节能电子设备中部署它们。”

https://www.nature.com/articles/s41467-022-29545-5

单个原子—离子对之间碰撞的量子逻辑检测

Or Katz等人发表在《自然·物理学》上

魏茨曼科学研究院的研究人员一直试图设计出新的更先进的工具来研究单对原子之间的基本相互作用。在最近发表在《自然·物理学》上的一篇论文中,他们介绍了一种基于量子逻辑的新技术,可以用来研究超冷中性原子和冷离子之间的相互作用。

量子化学是化学的一个分支,探讨量子力学在化学系统中的应用。这一领域的研究可以帮助更好地理解处于量子状态的原子对或原子组的行为,以及它们之间的相互作用所产生的化学反应。

许多量子化学研究专门探讨了量子状态下的原子对之间的相互作用。虽然其中一些工作产生了有趣的发现,但由于缺乏观察和控制单个原子碰撞结果的现有技术,它们往往受到限制。

“当原子在短距离内被提起时,它们可以经历几个过程,如能量释放或化学反应,这些都是受量子力学支配的,”进行这项研究的研究人员之一,现在在杜克大学的 Or Katz 告诉 Phys.org,“以前设计的方法可以用来研究这些过程,但它们需要对至少一个原子进行光学访问和控制,这反过来又严重限制了原子种类以及可以研究实践的相互作用集合。我们的工作减轻了这一要求,并允许我们只用一个额外的原子来研究许多原子对之间的相互作用,该原子充当探针。”

基本上,研究人员用激光冷却,然后诱捕一对离子和一团中性原子。离子被困于保罗陷阱(Paul trap)中,使用电磁场。另一方面,中性原子则被困于一个光学晶格中,他们可以随意进出保罗陷阱。

“我们通过测量陷阱中作为探针的第二个‘逻辑离子’上的印记来研究单个‘化学离子’与一个中性原子的相互作用,”Katz 解释说。“具体来说,当化学离子在一个放热(能量释放)过程中通过与一个原子的相互作用获得能量时,它就会推动‘逻辑离子’,在我们的实验配置中,它就会产生荧光的光。对‘逻辑离子’的这种荧光光的检测揭示了其他离子和原子所经历的过程的信息。”

Katz和他的同事们最近的工作为研究以前难以或不可能通过实验探测的过程提供了新的可能性。例如,他们在论文中介绍的技术可以用来测量新的效应,其中原子和离子的运动特征是以量子干扰为特征的。使用旧工具,这些效应将非常难以观察和检查。

“这种效应的一个提示已经在这项工作中看到了,反映在不同的Sr+同位素与87Rb的相互作用所测得的截面差异中,但是这项技术并不限于这个例子,可以应用于研究许多其他对的量子效应,”Katz补充说。“我们计划应用同样的技术来研究其他的过程,例如自旋的交换以及化学反应。”

除了使用他们的技术来研究其他过程,Katz和他的同事们还计划收集更多的量子干扰效应的证据。这将使他们能够进一步评估基于量子力学的工具在研究原子间基本相互作用方面的潜力。

https://www.nature.com/articles/s41567-022-01517-y

MISC

加拿大银行、Multiverse Computing 完成了对加密货币市场的初步量子模拟。

https://thequantuminsider.com/2022/04/14/bank-of-canada-multiverse-computing-complete-preliminary-quantum-simulation-of-cryptocurrency-market/


通过 DAO,研究组织和媒体可以打破地域的限制,以社区的方式资助和生产内容。DAOrayaki将会通过DAO的形式,构建一个代表社区意志并由社区控制的功能齐全的去中心化媒体。欢迎通过文末方式提交与DAO、量子计算、星际移民、DA相关的内容,瓜分10000USDC赏金池!欢迎加入DAOrayaki社区,了解去中心化自治组织(DAO),探讨最新话题!

官方网站:https://daorayaki.org

Media:https://media.daorayaki.org

Discord server: https://discord.gg/wNUPmsGsa4

Medium: https://medium.com/@daorayaki

Email: daorayaki@dorafactory.org

Twitter: @daorayaki_

微信助手:DAOrayaki-Media

详情请参考:

Dora Factory支持去中心化DAO研究组织DAOrayaki

对DAOrayaki第一阶段的回顾--去中心化媒体的先驱

DAOrayaki |DAOrayaki 开启去中心化治理2.0时代

DAOrayaki |风险投资的范式转移:无限主义基金和无限游戏

DAOrayaki |DAOrayaki dGov 模型:基于Futarchy的正和游戏

更多关于DAO的文章,关注Dorafactory,查看往期文章。

Category:

DAOrayaki

DAOrayaki is a decentralized media and research organization that is autonomous by readers, researchers, and funders.