DAOrayaki |新的量子比特平台可以改变量子信息科技发展

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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,Research Review, Quantum Computing Market

原文作者:   Paradigm

创作者:xinyang@DAOrayaki.org

审核者:Yofu@DAOrayaki.org

原文:  QT/ New qubit platform could transform quantum information science and technology

TL;DR

  • 科学家们已经开发出一种通过将氖气冻结成固体,将电子从灯泡的灯丝喷射到固体上,并在那里捕获一个电子而形成的量子比特平台。这个系统有很大希望被开发成未来量子计算机的理想构件。
  • 量子计算实验现在有了一个新的控制和读出电子方法,它将大大改善性能,同时取代繁琐和昂贵的系统。
  • 研究人员说,他们已经找到了一种方法,可以大大增加观察到乌鲁效应的概率,这种“量子发光”现象是在1970年代首次提出的。
  • 在一项概念验证研究中,研究人员已经创建了自组装的、基于蛋白质的电路,可以执行简单的逻辑功能。这项工作表明,我们有可能利用电子在量子尺度上的特性,来创建稳定的数字电路。
  • 物理学家正在从动量的角度重新审视量子物理学的基础,并探索当光的动量减少到零时会发生什么。
  • 研究发现了一种使用超快激光光脉冲制造纳米级磁性粒子的新方法。这一发现可能为新的和更节能的技术部件铺平道路,并用于未来的量子计算机中。
  • 通过使用配备飞秒太赫兹激光器的扫描隧道显微镜,科学家们利用一个两原子氢分子的量子特性来观察目标样品的静电场变化,将氢分子变成了一个量子传感器。
  • 研究人员用锯琴演示了如何调整弯曲片的几何形状,如弯曲的金属,以创造高质量、持久的振荡,用于传感、纳米电子学、光子学等方面的应用。
  • 量子测量中的三重信息权衡已被证明。
  • 生命的分子,DNA,以惊人的精度进行复制,然而这个过程不免会出现错误,并可能导致突变。萨里大学的一个物理学家和化学家团队利用复杂的计算机建模,表明由于量子世界的奇怪规则,复制中的这种错误会出现。
  • 还有更多!

量子计算市场

根据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——全球预测到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

固体霓虹灯上的单电子作为固态量子比特平台

作者:Xianjing Zhou, Gerwin Koolstra, Xufeng Zhang, Ge Yang, Xu Han, Brennan Dizdar, Xinhao Li, Ralu Divan, Wei Guo, Kater W. Murch, David I. Schuster, Dafei Jin in Nature

新的量子比特平台可以改变量子信息科技发展。

在最近的一篇论文中,由美国能源部(DOE)阿贡国家实验室(Argonne National Laboratory)领导的一个团队宣布创造了一个新的量子比特平台,该平台通过在非常低的温度下将氖气冻结成固体,将电子从灯泡的灯丝喷射到固体上,并在那里捕获一个电子而形成。这个系统有很大希望被开发成未来量子计算机的理想构件。

为了实现有用的量子计算机,对量子比特的质量要求极为苛刻。虽然今天有各种形式的量子比特,但没有一个是理想的。

一个新的量子比特平台。来自加热的灯丝(顶部)的电子落在固体霓虹灯(红色块)上,在那里单个电子(用蓝色表示为波函数)被超导量子电路(底部图案的芯片)捕获并操纵。

怎样才能成为一个理想的量子比特?根据阿贡科学家和该项目的主要研究人员金大飞(Dafei Jin)的说法,它至少得有三个卓越的品质。它可以在很长一段时间内保持同时为0和1的状态(记得薛定谔的猫吗)。科学家们称这种长时间为“相干性”。理想情况下,这个时间大约是一秒钟,这是我们在日常生活中可以从家里的时钟上感知到的时间步长。第二,量子比特可以在很短的时间内从一种状态转变为另一种状态。理想情况下,这个时间将是大约十亿分之一秒(纳秒),这是一个经典计算机时钟的时间步长。第三,量子比特可以很容易地与许多其他量子比特联系起来,这样它们就可以相互平行工作。科学家将这种联系称为纠缠。

尽管目前大家使用的量子比特并不理想,但像IBM、英特尔、谷歌、霍尼韦尔和许多初创公司都挑选了他们的钟意的那款。他们正在积极地进行技术改进和商业化。

固体霓虹灯上的单电子电路量子电动力学架构的电子结构和器件设计。

“我们的宏伟目标不是与这些公司竞争,而是发现和构建一个全新的量子比特系统,这可能成为一个理想的平台,”金说。

虽然有许多关于量子比特类型的选择,但该团队选择了最简单的一种——单个电子。加热一个你可能在儿童玩具中找到的简单的灯丝,可以很容易地射出无穷无尽的电子。包括电子在内的任何量子比特所面临的挑战之一是,它对周围环境的干扰非常敏感。因此,研究小组选择在真空中的超纯固体霓虹灯表面捕获电子。

氖是少数几个不与其他元素发生反应的惰性元素之一。金说:“由于这种惰性,固体霓虹灯可以作为真空中最干净的固体来承载和保护任何量子比特不被破坏。”

该团队的量子比特平台的一个关键组成部分是一个由超导体制成的芯片级微波谐振器(更大的家用微波炉也是一个微波谐振器)。超导体,即没有电阻的金属,允许电子和光子在接近绝对零度的条件下相互作用,而能量或信息的损失却最小。

固体氖上的单个电子与超导谐振器中的单个微波光子之间的强耦合和真空拉比分裂(Rabi splitting)。

“微波谐振器提供了一种关键性地读出量子比特状态的方法,”圣路易斯华盛顿大学的物理学教授、该论文的资深合著者 Kater Murch 说,“它集中了量子比特和微波信号之间的互动。这使我们能够进行测量,告诉人们量子比特的工作情况如何。”

阿贡大学博士后、论文第一作者周娴静(Xianjing Zhou)说:“通过这个平台,我们有史以来第一次实现了近真空环境下的单个电子与谐振器中的单个微波光子之间的强耦合。”周补充说:“这为使用微波光子来控制每个电子量子比特并在量子处理器中连接许多电子提供了可能性。”

样品模块和电子源的照片。

该团队在一个被称为稀释冰箱(dilution refrigerator)的科学仪器中测试了该平台,其温度可低至绝对零度以上仅10毫度。该仪器是阿贡的纳米材料中心的许多优势设备之一,该中心是美国能源部科学办公室的用户设施。该团队对一个电子量子比特进行了实时操作,并对其量子特性进行了描述。这些测试表明,固体霓虹灯为电子提供了一个强大的环境,干扰它的电噪声非常低。最重要的是,该量子比特在量子状态下达到了与最先进的量子比特竞争的相干时间。

“我们的量子比特实际上和人们已经开发了20年的量子比特一样好,”芝加哥大学的物理学教授、该论文的资深合著者David Schuster说,“这还只是我们的第一个系列实验。我们的量子比特平台还远远没有优化。我们将继续改进相干时间。而且由于这个量子比特平台的运行速度非常快,只有几纳秒,因此将其扩展到更多纠缠量子比特的很有希望。”

这个卓越的量子比特平台还有一个优势。金说:“由于电子—氖平台的相对简单,它应该容易以低成本制造。”看来,一个理想的量子比特可能已经出现。

由自组装的蛋白质复合物组成的可打印逻辑电路

作者:by Xinkai Qiu, Ryan C. Chiechi in Nature Communications

在一项概念验证研究中,研究人员已经创建了能够执行简单逻辑功能的自组装、基于蛋白质的电路。这项工作表明,我们有可能利用电子在量子尺度上的特性,来创建稳定的数字电路。

创建分子电路的其中一个绊脚石是,随着电路尺寸的减小,电路变得不可靠。这是因为创造电流所需的电子在量子尺度上表现得像波,而不是粒子。例如,在一个有两根相距一纳米的导线的电路上,电子可以在两根导线之间“隧穿”(tunneling ),并实际上同时出现在两个地方,这使得电流的方向难以控制。分子电路可以缓解这些问题,但由于在该尺度上制造电极的难度,单分子结要么寿命短要么产量太低。

PCBA 的 SAM,以及 PCBA 上的 PSI 的 SAM 的电荷传输特性的描述。

"北卡罗来纳州立大学化学系副教授 Ryan Chiechi 说:“我们的目标是尝试创建一个分子电路,利用“隧穿”(tunneling )的优势,而不是对抗它。”Chiechi和剑桥大学的共同通讯作者 Xinkai Qiu 首先将两种不同类型的富勒烯笼子(fullerene cages)放置在有图案的金基底上,从而构建了这些电路。然后他们将该结构浸入光系统1(PSI)的溶液中,这是一种常用的叶绿素蛋白质复合物。

不同的富勒烯诱导PSI蛋白以特定的方向在表面上自组装,一旦镓铟液态金属共晶 EGaIn 的顶部触点被印在上面,就会产生二极管和电阻。这个过程既解决了单分子结的缺点,又保留了分子—电子功能。

“在我们想要电阻的地方,我们在PSI自组装的电极上图案化了一种富勒烯,而在我们想要二极管的地方,我们图案化了另一种类型。”Chiechi 说,“定向的 PSI 能整流——这意味着它只允许电子向一个方向流动。通过控制PSI集合体的整体方向,我们可以决定电荷如何流过它们。”

由Aumica/PCBA//PSI//EGaIn结内的PSI偶极矩产生的内部电场方向(虚线),图中显示了相对于EGaIn结的正常布线,EGaIn有正向和负向偏置。

研究人员将自组装的蛋白质组合与人类制造的电极结合起来,并制作了简单的逻辑电路,利用电子“隧穿”(tunneling )来调控电流。

“这些蛋白质散射(scatter)了电子波函数,以仍未完全理解的方式调解“隧穿”(tunneling )。”Chiech i说,“结果是,尽管厚度为10纳米,但这个电路在量子水平上发挥作用,在隧道系统中运行。而且由于我们使用的是一组分子,而不是单个分子,所以结构是稳定的。我们完全可以在这些电路的顶部打印电极,并制成设备。”

研究人员从这些电路中创建了简单的基于二极管的与非逻辑门,并将它们整合到脉冲调制器中,该调制器可以通过根据另一个输入信号的电压来打开或关闭一个输入信号来编码信息。基于 PSI 的逻辑电路能够切换3.3kHz的输入信号——虽然在速度上无法与现代逻辑电路相提并论,但仍然是迄今为止有过报道的最快的分子逻辑电路之一。

“这是一个概念验证的初级逻辑电路,它同时依赖于二极管和电阻,”Chiechi说,“我们在这里表明,你可以用蛋白质建立坚固的、在高频率下工作的集成电路。”

“就直接用途而言,这些基于蛋白质的电路可以带动电子设备的发展,从而增强、取代和/或扩展经典半导体的功能。”

受激的光—物质相互作用中的加速诱导效应

作者:Barbara Šoda, Vivishek Sudhir, Achim Kempf in Physical Review Letters

对于星球大战的粉丝来说,从跳到超空间时“千年隼”的驾驶舱中看到的条状的星光是一个经典场景。但是,如果一个飞行员能够瞬间加速通过太空真空,她实际上会看到什么呢?根据一种被称为“尤鲁效应”(Unruh effect)的预测,她更有可能看到一种温暖的光辉。

自20世纪70年代首次提出以来,尤鲁效应一直未被观测到,主要是因为看到该效应的概率小得惊人,需要巨大的加速度或大量的观察时间。但是麻省理工学院和滑铁卢大学的研究人员认为他们已经找到了一种方法,可以大大增加观察到尤鲁效应的概率,他们在一项新的研究中详细说明了这一点。

在惯性运动中发生的光—物质相互作用的常规一阶过程(灰色、绿色、蓝色)与只在非惯性运动中发生的过程(黑色、橙色、红色)之间的比较。

该团队没有像过去其他人所尝试的那样以自发方式观察这种效应,而是提议以一种非常特殊的方式刺激这种现象,在抑制其他竞争性效应的同时增强尤鲁效应。研究人员将他们的想法比喻为在其他常规现象上披上一件隐形斗篷,这样就能显示出不那么明显的尤鲁效应。

如果它能在实际实验中实现,这种新的刺激性方法,加上一层隐形(或如论文中所述“加速诱导的透明度”(acceleration-induced transparency)),可以大大增加观察到尤鲁效应的概率。该小组的方法将把等待时间缩短到几个小时,而不是像尤鲁效应所预测的那样,等待一个加速粒子产生温暖的光芒的时间,比宇宙的年龄还长。

“现在至少我们知道在我们的有生之年有机会真正看到这种效果,”研究报告的共同作者、麻省理工学院机械工程助理教授Vivishek Sudhir说,他正在设计一个实验,以根据该小组的理论捕捉这种效果。“这是一个艰难的实验,而且不能保证我们能够做到,但这个想法是最有希望的一个。”

该研究的共同作者还包括滑铁卢大学的Barbara Šoda和Achim Kempf。

两条曲线显示了 |I±(Ω)| 的例子,即公式中给出的轨迹形式。

尤鲁效应也被称为富林—戴维斯—尤鲁效应(Fulling-Davies-Unruh effect),以最初提出该效应的三位物理学家的名字命名。该预言指出,一个在真空中加速的物体实际上应该感觉到温暖辐射的存在,这纯粹是该物体加速的一个效应。这种效应与加速的物质和真空中的量子波动之间的量子相互作用有关。

为了产生足以让探测器测量的温暖光芒,像原子这样的物体必须在不到百万分之一秒的时间内加速到光速。这样的加速度相当于每平方秒四亿米的重力(战斗机飞行员通常经历每平方秒10米的重力)。

“为了在短时间内看到这种效果,你必须有一些难以置信的加速度,”Sudhir 说,“如果你只有常规的加速度,你将不得不等待一个漫长的时间——比宇宙的年龄还要长——才能看到一个可测量的效果。”

那么,这有什么意义呢?他说,首先,观察尤鲁效应将是对物质和光之间基本量子相互作用的验证。另一个原因是,这种探测可能代表了霍金效应的一面镜子——物理学家斯蒂芬·霍金提出的一项猜想,预测在极端引力场中,如黑洞周围,光和物质的相互作用会产生类似的热辉光,或“霍金辐射”。

“霍金效应和尤鲁效应之间存在着密切的联系——它们刚好是彼此的互补效应,”Sudhir 说,他补充说,如果人们要观察尤鲁效应,“就会观察到两种效应的共同机制”。

据预测,尤鲁效应会在真空中自发出现。根据量子场理论,真空并不是简单的空旷空间,而是一个不安分的量子波动场,每个频段的大小约为半个光子。Unruh预测,在真空中加速的物体会放大这些波动,其方式是产生一种温暖的、热的粒子光辉。在他们的研究中,研究人员引入了一种新的方法,通过在整个场景中加入光来增加尤鲁效应发生的概率——这种方法被称为刺激。

“当你把光子添加到场中时,你添加的这些波动比在真空中的这半个光子多n倍,”Sudhir 解释说。“因此,如果你加速通过这个新的场状态,你能看到的效果也是你单独从真空中看到的n倍。”

除了量子尤鲁效应,额外的光子也会放大真空中的其他效应——这个主要的缺点,使其他尤鲁效应的研究者不采取刺激的方法。

然而,Šoda、Sudhir和Kempf通过“加速诱导的透明度”找到了一个解决办法,这是他们在论文中提出的一个概念。他们从理论上表明,如果一个身体,如原子,能够以一个非常具体的轨迹加速通过一个光子场,原子将以这样一种方式与该场相互作用,一定频率的光子对原子来说基本上是隐形的。

“当我们刺激尤鲁效应时,同时我们也刺激了传统的,或者说是共振的效应,但是我们表明,通过对粒子的轨迹进行设计,我们基本上可以避免这些效应”,Šoda说。

通过使所有其他效应透明化,研究人员就可以有更好的机会测量光子,或者像物理学家预测的那样,测量只来自于尤鲁效应的热辐射。

研究人员已经对如何根据他们的假说设计实验有了一些想法。他们计划建造一个实验室大小的粒子加速器,能够将电子加速到接近光速,然后他们将使用微波波长的激光束对其进行刺激。他们正在寻找方法来设计电子的路径,以抑制传统的效应,同时放大难以捉摸的尤鲁效应。

“现在我们有了这种机制,似乎在统计学上通过刺激放大了这种效果,”Sudhir说,“鉴于这个问题已经存在了40年,我们现在在理论上已经克服了最大的瓶颈。”

量子仪器控制套件(QICK),量子比特和探测器的读出和控制

作者:Leandro Stefanazzi, Kenneth Treptow, Neal Wilcer, Chris Stoughton, Collin Bradford, Sho Uemura, Silvia Zorzetti, Salvatore Montella, Gustavo Cancelo, Sara Sussman, Andrew Houck, Shefali Saxena, Horacio Arnaldi, Ankur Agrawal, Helin Zhang, Chunyang Ding, David I. Schuster in Review of Scientific Instruments

在设计下一代量子计算机时,一个令人惊讶的大难题是弥合经典和量子世界之间的通信差距。这样的计算机需要一个专门的控制和读出电子装置,在人类操作者和量子计算机的语言之间来回翻译——但现有的系统又繁琐又昂贵。

现在,由美国能源部费米国家加速器实验室的工程师们开发的一个新的控制和读出电子系统,被称为量子仪器控制套件(Quantum Instrumentation Control Kit),或QICK,已被证明可以大幅提高量子计算机的性能,同时削减控制设备的成本。

Quantum Instrumentation Control Kit(QICK)。QICK由两块硬件组成:商用ZCU111 RFSoC评估板(左),它与QICK射频板(右)连接,可用于额外的信号上/下变频、放大和过滤。

美国能源部科学办公室负责科学项目的副主任和负责高能物理的代理副主任 Harriet Kung 说:“量子仪器控制套件的开发是美国投资于联合量子技术研究的一个很好的例子,工业界、学术界和政府之间的伙伴关系加快了先前的量子研究和开发技术。”

更快和更有成本效益的控制是由高级首席工程师Gustavo Cancelo领导的费米实验室工程师团队与芝加哥大学合作开发的,其目标是为量子计算实验创建和测试一个基于现场可编程门阵列(FPGA)的控制器。芝加哥大学的物理学家 David Schuster 领导该大学的实验室,帮助制定规格,并硬件上进行实际验证。

“这正是结合国家实验室和大学优势的项目类型,”Schuster说,“我们显然需要一个开源的控制硬件生态系统,量子社区正在朝这目标努力。”

设计量子计算机的工程师们要处理的挑战是如何将量子计算机和经典计算机这两个看似不相容的世界连接起来。量子计算机是基于支配微观世界的量子力学的反直觉、概率性规则,这使得它们能够进行普通计算机无法进行的计算。因为人们生活在经典物理学统治的宏观可见世界中,控制和读出电子装置充当了连接这两个世界的解释器。

控制电子装置使用来自经典世界的信号作为计算机量子比特的指令,而读出电子装置测量量子比特的状态,并将该信息传递回经典世界。

量子计算机的一项有前途的技术是使用超导电路作为量子比特。目前,大多数超导量子计算机的控制和读出系统使用的是现成的商业设备,而并非专门用于该任务的设备。因此,研究人员往往必须把一打或更多的昂贵部件串连起来。每一个量子比特的成本可以迅速攀升到数万美元,而且这些系统的大尺寸版本会产生更多问题。

Xilinx XCZU28DR RFSoC芯片框图。该芯片由软件块和硬件块组成。软件块可细分为低级块,如Linux内核,和高级块,如PYNQ软件库,其功能可从Jupyter笔记本中调用。硬件块可细分为处理系统(PS)和可编程逻辑(PL)有关的块。

尽管最近取得了技术进步,但量子比特的寿命仍然相对较短,一般为几分之一毫秒,之后它们会产生错误。“当你与量子比特一起工作时,时间是一个关键。”坎塞洛说,“经典的电子产品需要时间来响应量子比特,这限制了计算机的性能。”

正如解释器的有效性取决于快速通信一样,控制和读出系统的有效性取决于其周转时间。而一个由许多模块组成的大型系统意味着周转时间长。为了解决这个问题,坎塞洛和他在费米拉实验室的团队设计了一个紧凑的控制和读出系统。该团队将整套设备的能力纳入一个比笔记本电脑略大的电子板。这个新的系统是定制的,但它的兼容性让它能与许多超导量子比特的设计兼容。

“我们正在设计一个适用于各种类的量子比特的通用仪器,希望能涵盖那些六个月或一年后设计的量子比特,”坎塞洛说,“通过我们的控制和读出电子设备,你可以实现商业设备难以做到或无法做到的功能和性能。”

对量子比特的控制和读出取决于微波脉冲——频率类似于承载移动电话通话和加热微波晚餐的信号的无线电波。费米实验室团队的射频(RF)板包含200多个元件:调整频率的混频器;去除不需要的频率的滤波器;调整信号幅度的放大器和衰减器;以及打开和关闭信号的开关。该板还包含一个低频控制,用于调整某些量子比特参数。与作为计算机“大脑”的商用现场可编程门阵列(FPGA)板一起,射频板提供了科学家与量子世界成功通信所需的一切。

这两块紧凑的板子的生产成本比传统系统低10倍左右。在其最简单的配置中,它们可以控制八个量子比特。将所有的射频元件整合到一块板子上,可以实现更快、更精确的操作,以及实时反馈和错误纠正。

“你需要注入非常、非常快和非常、非常短的信号,”小组的成员、费米实验室工程师 Leandro Stefanazzi 说,“如果你不能非常精确地控制这些信号的频率和持续时间,那么你的量子比特就不会按照你想要的方式行事。”

QICK射频板的ADC输入原理图。QICK有四个专用的射频输入(a),针对4-8GHz进行了优化,还有四个专用的直流耦合输入(b),带宽为1.5GHz。

设计射频板和布局花了大约六个月的时间,当中有巨大的挑战:相邻的电路元件必须精确匹配,以便信号能够顺利传播,而不会出现反弹和相互干扰的情况。此外,工程师们还必须小心翼翼地避免布局会接收来自手机和WiFi等来源的杂散无线电波。在这一过程中,他们进行了模拟,以验证他们的方向是正确的。该设计现在已经准备好制造和组装,目标是在今年夏天拥有可工作的射频板。

在整个过程中,费米实验室的工程师们与芝加哥大学一起测试了他们的想法。新的射频板是像 Schuster 这样的研究人员的理想选择,他们试图利用各种量子计算机架构和设备在量子计算方面取得根本性进展。

“我经常开玩笑说,这块板子将有可能取代我实验室里的几乎所有测试设备,”Schuster说,“能够与高水平的人一起,使电子器件在那种水平上实现工作,对我们来说非常开心”

这个新系统很容易扩展。频率复用的量子比特控制,类似于在同一条电缆上发送多个电话对话,将允许一个射频板控制多达80个量子比特。由于其体积小,几十块板子可以连接在一起,并同步到同一个时钟上,作为大型量子计算机的一部分。

费米实验室的工程团队已经利用了一种新的商业FPGA芯片,这是第一个将数模和模数转换器直接集成到板子上的芯片。它大大加快了在FPGA和射频板之间创建接口的过程,这过程原本可能要花上几个月的时间。为了打造其控制和读出系统的未来版本,该团队已经开始设计自己的FPGA硬件。

一个低成本的硬件版本现在被提供给大学用于教育目的。Cancelo:“由于其成本低,它允许较小的机构在不花费数十万美元的情况下拥有强大的量子控制。”

“从科学的角度来看,我们正在研究十年来物理学中最热门的话题之一,这是一个机会,”他补充说,“从工程的角度来看,这当中我享受的是,电子工程的许多领域需要走到一起,以便能够成功地执行这个项目。”

近零指数材料内部的动量考虑

作者:Michaël Lobet, Iñigo Liberal, Larissa Vertchenko, Andrei V. Lavrinenko, Nader Engheta, Eric Mazur in Light: Science & Applications

在物理学中,就像在生活中一样,从不同角度看问题总是好的。

自从量子物理学开始以来,光如何移动并与周围的物质相互作用,大多是通过其能量的角度从数学上来描述和理解。1900年,马克斯·普朗克(Max Planck)用能量来解释光是如何被加热的物体发射出来的,这是量子力学基础中的一项开创性研究。1905年,阿尔伯特·爱因斯坦(Albert Einstein)在介绍光子的概念时使用了能量。但光有另一个同样重要的质量,即动量。而且,事实证明,当你把动量拿走时,光开始以非常有趣的方式表现出来。

由哈佛大学约翰-A-保尔森工程与应用科学学院(SEAS)的副研究员Michaël Lobet和SEAS的巴尔干斯基物理和应用物理学教授Eric Mazur领导的一个国际物理学家团队,正在从动量的角度重新审视量子物理学的基础,并探索当光的动量减少到零时会发生什么。

折射率为nφ(ω)的NZI材料内部自发发射过程示意图(绿色背景)。

任何有质量和速度的物体都有动量——从原子到子弹到小行星——而且动量可以从一个物体转移到另一个物体。一把枪在发射子弹时产生后坐力,因为子弹的动量被转移到枪上。在微观尺度上,一个原子在发射光的时候会产生后坐力,因为光子获得了动量。原子反冲(Atomic recoil)是爱因斯坦在撰写辐射量子理论时首次描述的,它是支配光发射的一个基本现象。

但在普朗克和爱因斯坦之后的一个世纪,一类新的超材料正在提出有关这些基本现象的问题。这些超材料的折射率接近于零,这意味着当光穿过它们时,它并不像波浪一样在波峰和波谷的相位中传播。相反,波被拉长到无穷大,形成一个恒定的相位。当这种情况发生时,量子力学的许多典型过程就会消失,包括原子反冲。

为什么?这一切都要回到动量上。在这些所谓的近零指数材料中,光的波动量变成了零,当波动量为零时,就会发生一些奇怪的事情。

“基本的辐射过程在三维近零指数材料中受到抑制,”Lobet 说,他目前是比利时那慕尔大学的一名讲师。“我们意识到,在近零指数材料中,原子的动量反冲是被禁止的,而且在电磁场和原子之间不允许有动量转移。”

光是打破爱因斯坦的一条规则还不够,研究人员还打破了可能是量子物理学中最知名的实验——杨氏双缝实验。这个实验在全球各地的课堂上被用来演示量子物理学中的波粒二象性——光可以同时显示出波和粒子的特征。

在一个典型的材料中,光通过两个狭缝产生两个相干的波源,它们相互干扰,在屏幕中心形成一个亮点,两侧有明暗条纹图案,被称为衍射条纹。

在不同的色散材料内进行杨氏双缝实验。

共同作者、丹麦技术大学的 Larissa Vertchenko 说:“当我们对杨氏双缝实验进行建模和数值计算时,结果发现,当折射率降低时,衍射条纹消失了。”

共同作者、西班牙潘普洛纳的纳瓦拉公立大学的 Iñigo Liberal 说:“可以看出,这项工作质疑了量子力学的基本定律,并探索了波体二象性的极限。

虽然一些基本过程在接近零折射率的材料中受到抑制,但其他过程却得到加强。以另一个著名的量子现象——海森堡的不确定性原理(Heisenberg’s uncertainty principle)为例,在物理学中更准确地称为海森堡不等式(Heisenberg inequality)。该原理指出,你不可能完全准确地知道一个粒子的位置和速度,你对一个粒子知道得越多,你对另一个粒子知道得就越少。但是,在接近零指数的材料中,你可以百分之百确定地知道一个粒子的动量为零,这意味着你完全不知道粒子在任何特定时刻在材料中的位置。

“这种材料将是非常糟糕的显微镜,但它确实能够相当完美地隐蔽物体。”Lobet said 说,“在某种程度上,物体变得不可见。”

“这些新的理论结果从动力的角度对近零折射率光子学有了新的认识,”Mazur 说,“它为理解低折射率系统中的光—物质相互作用提供了见解,这对发光和量子光学应用是很有用的。”

这项研究还可以揭示其他应用,包括量子计算、每次发射一个光子的光源、光在波导中的无损传播等等。该团队接下来的目标是,从动量角度重新审视这些材料中的其他基础性量子实验。毕竟,尽管爱因斯坦没有预测近零折射率的材料,但他确实强调了动量的重要性。在他1916年关于基本辐射过程的开创性论文中,爱因斯坦坚持认为,从理论的角度来看,能量和动量“应该在完全平等的基础上考虑,因为能量和动量是以最接近的方式联系在一起的。”

“作为物理学家,追随爱因斯坦等巨人的脚步并进一步推动他们的想法是一个梦想,”洛贝特说,“我们希望我们能够提供一个物理学家可以使用的新工具和一个新的视角,这可能有助于我们理解这些基本过程并开发出新的应用。”

过渡金属薄膜中光诱导超快斯格明子激发的微观理论

作者:Emil Viñas Boström, Angel Rubio, Claudio Verdozzi in npj Computational Materials

瑞典隆德大学的研究发现了一种利用超快激光光脉冲制造纳米级磁性粒子的新方法。这一发现可能为新的和更节能的技术部件铺平道路,并用于未来的量子计算机中。

磁斯格明子(Skyrmions)有时被描述为磁涡流。与铁磁状态不同,铁磁状态出现在传统的磁铁中,如罗盘和冰箱磁铁。斯格明子状态是非常特殊的:材料中的任何地方的磁化方西并不指向同一方向,而是类似一种旋转的磁性。

斯格明子对于基础研究和工业来说都有很大的兴趣,因为它可以被用来制造更紧凑的计算机存储器。然而,这说起来容易做起来难。将斯格明子用于技术目的需要在短时间内以高效的方式写入、擦除和操纵粒子,并具有高空间精度。

激光诱导的斯格明子成核现象。

一项新的研究中,隆德大学的研究人员Claudio Verdozzi和汉堡马克斯-普朗克物质结构与动力学研究所的Emil Viñas Boström和Angel Rubio发现了一种新方法。

“在我们的研究中,我们已经从理论上证明了如何能够满足这些要求之一,即如何使用激光脉冲在超短的时间尺度内创造磁性斯格明子,”隆德大学物理学研究员 Claudio Verdozzi 说。

研究小组采用的实验方案是一种微观机制,该方案已被证明可用于创造奇怪的斯格明子。使用飞秒激光脉冲——持续时间为十亿分之一秒的光脉冲——研究人员表明,这有可能以超快方式创造出斯格明子。

“我们的结果对于创造更加节能的技术部件具有重要意义。我们的研究表明,光可以被用来在非常短的时间范围内操纵局部的磁激发,”Claudio Verdozzi 说。

平衡磁特性

这项新发现可以带来很多应用,包括量子技术——在这个领域,量子力学特性被用来解决传统计算机无法处理的极其先进的计算。磁激发,如斯格明子和所谓的自旋波(spin waves),也被认为能够帮助减少技术部件的能源消耗,并因此能够帮助实现未来的气候目标。

“由于斯格明子的技术潜力,它们成了理论和实验研究的重点。此外,它们奇异的磁力模式在概念上和数学上都有一种美丽的吸引力,非常特别。”Claudio Verdozzi 总结道。

基于STM腔内H 2分子的超快相干性的原子尺度量子传感

作者:Likun Wang, Yunpeng Xia, W. Ho in Science

加州大学欧文分校(UCI)的物理学家展示了在配备太赫兹激光的扫描隧道显微镜中使用氢分子作为量子传感器,这种技术能够以前所未有的时间和空间分辨率测量材料的化学特性。

这项新技术也可用于分析二维材料,这些材料有可能在先进能源系统、电子和量子计算机中发挥作用。

UCI 物理与天文学系和化学系的研究人员描述了他们如何将两个结合的氢原子置于STM的银尖和一个由氮化铜分子排列的平坦铜表面组成的样品之间。通过持续万亿分之一秒的激光脉冲,科学家们能够激发氢分子,并在低温和仪器的超高真空环境下检测其量子态的变化,呈现出样品的原子尺度的时间推移图像。

“这个项目代表了测量技术和该方法允许我们探索的科学问题的进步,”共同作者、布伦物理与天文学和化学教授Wilson Ho说,“依靠探测二能级系统(two-level system)中状态的相干叠加的量子显微镜比不基于这种量子物理学原理的现有仪器要敏感得多。”

Ho 说,氢分子是一个二能级系统的例子,因为它的方向在上下两个位置之间转换,并有轻微水平倾斜。通过一个激光脉冲,科学家们可以引导该系统以循环的方式从基态进入激发态,从而形成两种状态的叠加。循环振荡的持续时间非常短暂——仅持续几十皮秒(译注:10的-12次方秒)——但通过测量这个“退相干时间”和循环周期,科学家们能够看到氢分子是如何与其环境互动的。

“氢分子成为量子显微镜的一部分,因为无论显微镜扫描到哪里,氢气都在尖端和样品之间。”Ho 说,“它用于极其敏感的探测,使我们能够看到低至0.1埃(译注:10的-10次方米,或0.1纳米)的变化。在这种分辨率下,我们可以看到样品上的电荷分布如何变化。”

STM尖端和样品之间的空间几乎是难以想象的小,大约6埃或0.6纳米。Ho和他的团队组装的STM配备可以检测在这个空间流动的微小电流,并产生证明氢分子和样品元素存在的光谱读数。Ho 说这个实验代表了基于太赫兹诱导的整流电流通过单个分子的化学敏感光谱学的首次展示。

Ho说,基于氢的量子相干性在这一层次上表征材料的能力可以在催化剂的科学和工程中发挥巨大作用,因为它们能否起作用往往取决于单原子层面的表面缺陷。

“只要氢可以被吸附在材料上,原则上,你可以用氢作为传感器,通过观察它们的静电场分布来表征材料本身,”研究主要作者、UCI 物理与天文学专业的研究生 Likun Wang 说。

锯琴中拓扑动力学的几何控制

作者:Suraj Shankar, Petur Bryde, L. Mahadevan in Proceedings of the National Academy of Sciences

自19世纪初廉价、灵活的钢材推广以来,锯琴阴森、空灵的声音一直是全球各地民间音乐传统的一部分,从中国到阿巴拉契亚。这种乐器由弯曲的金属手锯和像大提琴一样的弓组成,在20世纪初的杂耍舞台上达到了全盛时期,并在一定程度上由于社交媒体的出现而重新兴起。

事实证明,锯琴蕴含的独特数学物理学可能是为一系列应用设计高质量谐振器的关键。

在一篇新的论文中,来自哈佛大学约翰-A-保尔森工程与应用科学学院(SEAS)和物理系的一个研究小组利用锯琴来证明,像弯曲的金属一样,弯曲的板材的几何形状可以被调整,以创造高质量、持久的振荡,用于传感、纳米电子学、光子学等领域。

研究人员将锯子夹成两种配置:J形(左)和S形(右)。S型在其轮廓上有一个拐点(甜蜜点),而J型没有/(来源:Mahadevan实验室/哈佛大学SEAS)

Lola England de Valpine应用数学、有机体和进化生物学以及物理学教授和该研究的资深作者L Mahadevan说:“我们的研究给出了一个强大的原则,可以设计出无论规模和材料的高质量谐振器,无论是宏观乐器还是纳米级设备,仅需要通过几何学和拓扑学的组合就可以实现。”

虽然所有的乐器都是某种声学谐振器,但没有一种乐器的工作方式与锯琴相当。

“锯琴的发声是一种令人惊讶的效果,”Petur Bryde说,他是SEAS的研究生,也是该论文的第一作者之一。“当你敲击一个扁平的弹性片材,如金属片,整个结构会振动。能量很快就会通过其所在的边界流失,导致沉闷的声音迅速消散。如果你把它弯成J型,也会观察到同样的结果。但是,如果你将板材弯曲成S形,你可以使它在一个非常小的区域内振动,这就产生了一个清晰、持久的音调。”

弧形锯的几何形状创造了音乐家所说的甜蜜点和物理学家所说的局部振动模式——在板材上的一个封闭区域,在边缘不损失能量的情况下产生共振。重要的是,S形曲线的具体几何形状并不重要。它可以是一个顶部有一个大的曲线,底部有一个小的曲线的S,或者相反。

“音乐家和研究人员知道几何学的这种稳健效应已经有一段时间了,但其背后的机制一直是个谜,”哈佛大学物理学和SEAS初级研究员、该研究的共同第一作者 Suraj Shankar 说。"我们找到了一个数学论据,解释了这种稳健的效应是如何以及为什么存在于这一类形状。形状的细节并不重要,唯一重要的事实是沿锯的曲率存在逆转。”

Shankar,Bryde 和 Mahadevan 通过类比非常不同的物理系统——拓扑绝缘体,找到了这种解释。最常与量子物理学联系在一起的拓扑绝缘体是在其表面或边缘导电但在中间不导电的材料,无论你如何切割这些材料,它们总是在其边缘导电。

“在这项工作中,我们在弯曲片的声学和这些量子和电子系统之间做了一个数学类比,”Shankar 说。

通过使用拓扑系统的数学知识,研究人员发现,锯琴的甜点中的局部振动模式受一个可以计算的拓扑参数的支配,该参数只依赖于材料中存在的两条相反的曲线。甜点就像锯子的内部“边缘”。

“通过使用实验、理论和数值分析,我们表明薄片中的S曲率可以在甜蜜点或拐点线上定位拓扑保护模式,类似于拓扑绝缘体中的奇异边缘状态,”Bryde 说。“这种现象与材料无关,它也会出现在钢铁、玻璃甚至石墨烯中。”

研究人员还发现,他们可以通过改变S曲线的形状来调整模式的定位,这在传感等应用中非常重要,因为你需要一个调谐到非常特定频率的共振器。下一步,研究人员的目标是探索双曲面结构中的定位模式,如钟和其他形状。

量子测量中完全信息权衡的演示

作者:Seongjin Hong et al in Physical Review Letters

薛定谔的猫是一个思想实验,旨在解释量子叠加和量子测量,这是量子物理学的核心特征。在这个实验中,盒子里的猫既可以是活的,也可以是死的(量子叠加),而它的状态(死或活)在盒子被打开的那一刻就决定了(测量)。这样的量子叠加和测量不仅是量子物理学的基础,而且还保证了量子计算和密码学的安全。

由韩国科学技术院(KIST,院长是Seok Jin Yoon)量子信息中心的Seongjin Hong、Hyang-Tag Lim和Seung-Woo Lee博士组成的研究小组,首次在量子测量中得出并验证了信息保存关系。这加强了量子信息技术的安全性,即使是在弱量子测量领域。

量子信息保存关系和量子态的示意图。

打开容纳猫的盒子(量子测量)以获得关于它是死是活的信息,将猫同时是死是活的初始条件(量子叠加)改变为只是死或活。换句话说,从我们获得它“为死”信息的那一刻起,猫就是死的,或者从我们获得它“为活”信息的那一刻起,它就是活的。由于量子测量的不可逆转性,猫的状态不能被逆转。

然而,如果测量没有完全完成,也就是说,如果盒子被打开一点,只露出了猫的尾巴,会发生什么?这一事件在量子力学中被称为弱测量。在这种情况下,无法获得关于猫的状态的完整信息,猫的状态可以通过反转测量恢复到其初始状态。因此,通过考虑获得的、被干扰的和可逆的信息量来建立量子信息保存的关系,一直是量子物理学中的一个挑战,也是保证量子技术安全的一个重要任务。

研究小组从理论上推导出一种信息保存关系,考虑到反转概率以及现有的信息增益和状态干扰关系。这一信息保存关系在实验中得到了验证,它使用线性光学元件如波板和偏振器来实现弱测量和“反转操作”,并将其应用于由单光子实现的三维量子态。这种信息保存关系显示,通过增加测量强度获得更多的量子态信息,对量子态的干扰也更大。同时,它还表明,将被扰乱的状态逆转到弱测量前的初始状态的概率也会变低。请注意,如果有可能将受干扰的量子态逆转到其初始状态,那么量子密码学的安全性就可能得不到保证。

领导这项研究实验的洪博士和林博士以及领导理论研究的李博士说,“这是通过证明量子态的信息总量即使通过测量也不能增加,完美地确立了量子技术在原则上是安全的。我们期望这能作为一种优化技术应用于量子计算、量子密码学和量子远程传输。”

对DNA中质子隧穿(tunnelling)的开放量子系统方法

作者:Slocombe, L., Sacchi, M. & Al-Khalili, J. in Communications Physics

生命的分子,DNA,以惊人的精度进行复制,然而这个过程并不能避免错误,并可能导致突变。萨里大学的一个物理学家和化学家团队利用复杂的计算机建模,表明由于量子世界的奇怪规则,复制中的这种错误可能出现。

著名的DNA双螺旋结构的两条链被称为质子的亚原子粒子——氢原子的原子核——连接在一起,它们提供了将称为碱基的分子粘合在一起的胶水。这些所谓的氢键就像一个扭曲的梯子的阶梯,构成了James Watson和Francis Crick在1952年基于Rosalind Franklin和Maurice Wilkins的工作发现的双螺旋结构。

通常情况下,这些DNA碱基(称为A、C、T和G)在它们如何结合在一起方面遵循严格的规则。这种严格的配对是由分子的形状决定的,像拼图中的碎片一样把它们组合在一起,但是如果氢键的性质稍有变化,就会导致配对规则被打破,导致错误的碱基被连接,从而产生突变。尽管Crick和Watson已经预测到了,但直到现在,在复杂的计算模型帮助下,我们才能够准确地量化这一过程。

质子转移势能图

作为萨里大学令人兴奋的量子生物学新领域研究项目的一部分,该团队展示了,DNA链之间的这种修改比迄今为止人们认为的要普遍得多。质子可以很容易地从能量屏障的一侧的通常位置跳到另一侧。如果这种情况发生在复制过程的第一步中两条链被解开之前,那么这个错误可以通过细胞中的复制机制,导致所谓的DNA错配,并有可能导致突变。

在一篇论文中,位于勒沃库姆量子生物学博士培训中心的萨里团队使用了一种叫做开放量子系统(open quantum systems)的方法来确定可能导致质子在DNA链之间跳跃的物理机制。但是,最耐人寻味的是,正是由于一种被称为隧穿(tunnelling)的众所周知而又近乎神奇的量子机制——类似于幻影穿过一堵实心墙——它们才得以穿越。

以前人们认为,这种量子行为不可能发生在活细胞的温暖、潮湿和复杂的环境中。然而,奥地利物理学家埃尔温·薛定谔(Erwin Schrödinger)在其1944年出版的《生命是什么》一书中提出,量子力学可以在生命系统中发挥作用,因为它们的行为与无生命物质相当不同。这项最新工作似乎证实了薛定谔的理论。

在他们的研究中,作者检测到局部的细胞环境导致质子出现,它们的行为像散开的波,被热激活并被鼓励通过能量屏障。事实上,质子被发现在两条链之间连续和非常迅速地来回隧穿。然后,当DNA被切割成独立的链时,一些质子被夹在错误的一边,导致了错误。

Dr. Louie Slocombe在其博士期间进行了这些计算,他解释说,“DNA中的质子可以沿着DNA中的氢键隧穿,修改编码遗传信息的碱基。这些修改过的碱基被称为‘同位素’(tautomers),可以在DNA裂解和复制过程中存活下来,造成‘转录错误’或突变。”

Dr. Slocombe在萨里大学勒弗胡姆量子生物学博士培训中心的工作由Jim Al-Khalili教授(萨里大学物理系)和Dr. Marco Sacchi(萨里大学化学系)指导。

Al-Khalili教授评论说。”Watson和Crick早在50多年前就推测出DNA中存在量子力学效应及其重要性,然而,这一机制在很大程度上被忽视了。”

Dr. Sacchi补充道:“生物学家通常期望隧穿效应只在低温和相对简单的系统中发挥重要作用。因此,他们倾向于不考虑DNA中的量子效应。通过我们的研究,我们相信我们已经证明这些假设并不成立。”

MISC(更多)

https://twitter.com/quantumjournal/status/1522515278839619585?s=20&t=iiXLw2Sn5G3ge6-Td_LmQg

https://twitter.com/QuTech_news/status/1522230013789147138?s=20&t=Pnaf_449-zWWDEtiJe8vfg

https://twitter.com/Yale_QI/status/1523023020478152705?s=20&t=6eZv4VYQwJ3jETJoqceusw

认识一下全球40+量子公司:

https://thequantuminsider.com/2022/05/07/the-whos-who-of-quantum-a-directory-of-40-quantum-companies-from-around-the-world/

参考文献:

1.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——全球预测到2026:https://www.marketsandmarkets.com/Market-Reports/quantum-computing-market-144888301.html

2.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:

https://www.researchandmarkets.com/reports/5010716/quantum-computing-market-research-report-by?utm_source=dynamic&utm_medium=GNOM&utm_code=4m3fxs&utm_campaign=1375670+-+Worldwide+Quantum+Computing+Market+(2019+to+2030)+-+Drivers%2c+Restraints+and+Opportuni

3.由自组装的蛋白质复合物组成的可打印逻辑电路:https://www.nature.com/articles/s41467-022-30038-8

4.过渡金属薄膜中光诱导超快斯格明子激发的微观理论:https://www.nature.com/articles/s41524-022-00735-5

5.量子测量中完全信息权衡的演示:https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.128.050401


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