DAOrayaki |2022.02 量子计算最新进展

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赏金总量:130 USDC

研究种类:Quantum Computing

原文作者:  Paradigm

贡献者:Shaytan@DAOrayaki

审阅者:Yofu@DAOrayaki

原文: QT/ Quantum computing in silicon hits 99 percent accuracy

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TL; DR

  • 研究者已经证明近乎无误差的量子计算是有可能的,为构建与当前半导体制造技术兼容的硅基量子设备铺平了道路。
  • 科学家们在开发容错量子计算机方面已经取得了一个关键里程碑。他们能够利用硅中的电子自旋量子比特证明99.5%的双量子比特门的保真度— 高于被认为是建立容错计算机的阈值的99%,这对大规模量子计算机来说是很有希望的,因为已经存在建造它们的纳米制造技术。
  • PSI的研究人员比较了两种半导体的氧化层下方的电子分布。这项研究是开发特别稳定的量子比特的一部份努力 —因此反过来说,也会是特别高效的量子计算机。他们现在已在科学期刊《先进量子技术》上发表了他们的最新研究,这份研究得到了微软的部分支持。
  • 密歇根大学开发了一种半导体材料,导体在室温以上进行量子 "翻转"成绝缘体。它有可能使世界更接近新一代的量子设备和超高效的电子产品。
  • 由意大利国家计量研究院(INRIM)与东芝欧洲公司(Toshiba Europe)合作,在意大利200公里的量子主干上进行的一项实验显示,相干激光干涉技术显著改善了长距离、真实世界网络中量子密钥分发协议的性能。这项研究已经发表在《自然通讯》上。
  • 光的量子态已使新的光学传感方案变得可能,例如用于测量距离或位置,其精度是激光等经典光源无法实现的。现在,量子计量学领域已被进一步推动,因为一个研究团队显示,由于量子现象,被设计成在复杂空间结构中纠缠的光子在感应最小的旋转方面具有优势。这种新方法可以实现比传统手段更精确的测量。
  • MagnetoCat SL(西班牙阿利坎特)的研究小组在ACS催化杂志上发表了一项关于多相催化中的磁性的基础理论工作。该小组提出了一个复杂而全面的理论处理方法,将电子自旋、磁性和多相催化联系起来。这种处理方法涉及到固体中关联电子的行为,以及它们在平衡排斥力和吸引力的同时,为避开彼此的量子力学"伎俩"。
  • 大阪大学工程科学研究院的研究人员首次在超流体氦气内使用了光镊。通过强烈聚焦的光束,他们证明了在超低温度下对纳米粒子的稳定俘获。这项工作可能有助于科学家更好地理解区分经典和量子效应的概念边界。
  • 科学家们现在离更好地理解如何生活在一个"量子"世界更近了一步—而不仅仅是通过观看漫威电影系列中 "蚁人"的这个角色。
  • 量子计算行业的顶级数据科学家。
  • 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,按供应(系统和服务)、部署(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,年复合增长率为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。有些公司在后疫情期间正致力于采用QCaaS(量子运算及服务)。这反过来又有望促进量子计算市场的增长。然而,稳定性和纠错问题则预期会限制市场的增长。

根据《量子计算市场研究报告:按供应、部署类型、应用、技术、行业—行业份额、增长、驱动因素、趋势和需求预测到2030年》报告,量子计算市场预计到2030年将达到649.88亿美元。在预测期间内,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,以改善后者的使用情况。

最新研究

硅片中三量子位供体量子处理器的精确层析成像

作者:Mateusz T. Mądzik, Serwan Asaad, Akram Youssry, Benjamin Joecker, Kenneth M. Rudinger, Erik Nielsen, Kevin C. Young, Timothy J. Proctor, Andrew D. Baczewski, Arne Laucht, Vivien Schmitt, Fay E. Hudson, Kohei M. Itoh, Alexander M. Jakob, Brett C. Johnson, David N. Jamieson, Andrew S. Dzurak, Christopher Ferrie, Robin Blume-Kohout, Andrea Morello in Nature

新南威尔士大学悉尼分校领导的研究,为大型硅基量子处理器在现实世界的制造和应用铺路。

澳大利亚研究人员已经证明,近乎无误差的量子计算是可能的,为构建与当前半导体制造技术兼容的硅基量子设备铺平了道路。

领导这项工作的新南威尔士大学Andrea Morello教授说:"在《自然》杂志上发表的文章显示,我们的运算是99%没有错误。"

"当错误如此稀少时,就有可能检测到并在它们发生时纠正它们。这表明,我们有可能建立具有足够规模和足够功率的量子计算机,以处理有意义的计算。"

Quantum operations with 99% fidelity – the key to practical quantum computers

"这项研究是让我们实现这一目标的一个重要里程碑。"Morello教授说。

Morello的论文是发表在《自然》杂志上的三篇论文之一,这些论文独立地证实了硅中强大、可靠的量子计算现在已经成为现实。这一突破被刊登在该杂志的封面上。

  • Morello等人通过离子植入法在硅中引入由一个电子和两个磷原子组成的三量子比特系统,实现了高达99.95%的1量子比特运算保真度和99.37%的2量子比特保真度。
  • 由Lieven Vandersypen领导的荷兰Delft团队使用硅和硅锗合金(Si/SiGe)堆叠形成的量子点中的电子自旋,实现了99.87%的1量子比特和99.65%的2量子比特保真度。
  • 由Seigo Tarucha领导的日本理化学研究所(RIKEN)团队在使用硅/硅锗量子点的双电子系统中,同样实现了99.84%的1量子比特和99.51%的2量子比特保真度。

新南威尔士大学和代尔夫特大学的团队使用一种称为门集层析成像(gate set tomography)的复杂方法认证了他们的量子处理器的性能,该方法由美国桑迪亚国家实验室开发,并公开提供给研究界。

Morello此前曾证明,由于核自旋与环境的极端隔离,他可以在硅中保存35秒的量子信息。

"在量子世界中,35秒是一个永恒的时间,"Morello教授说。"相比之下,在著名的谷歌和IBM的超导量子计算机中,寿命大约是100微秒—几乎短了100万倍。"

但代价是,隔离量子位使得它们似乎不可能相互作用,而这是进行实际计算所必需的。

这篇论文描述了他的团队如何通过使用一个包含两个磷原子核的电子来克服这个问题。

"如果你有两个与同一个电子相连的原子核,你可以让它们进行量子运算,"首席实验作者之一Mateusz Mdzik博士说。

"当你不对电子进行运算时,这些原子核安全地存储了它们的量子信息。但现在你可以选择通过电子使它们相互交谈,以实现可以适应任何计算问题的通用量子运算。"

"这真的是一项解锁技术,"另一位首席实验作者Serwan Asaad博士说。"核自旋是核心量子处理器。如果你将它们与电子纠缠在一起,那么电子就可以被移动到另一个地方,并与更远处的其他量子比特核纠缠在一起,从而为制造能够进行稳健和有用计算的大型量子比特阵列开辟了道路。"

墨尔本大学的研究负责人David Jamieson补充说:

"磷原子是用离子注入法引入硅芯片的,与现有所有硅计算机芯片使用的方法相同。这确保了我们的量子突破与更广泛的半导体行业兼容。"

所有现有的计算机都部署了某种形式的纠错和数据冗余,但量子物理学定律对量子计算机中的纠错方式提出了严重的限制。

Morello教授解释说:

你通常需要错误率低于1%,才能应用量子纠错协议。现在实现了这一目标,我们就可以开始设计硅量子处理器了,这种处理器可以扩展并可靠地运行,以进行有用的计算。"

https://www.nature.com/articles/s41586-021-04292-7

硅中高于容错阈值的快速通用量子门

作者:Akito Noiri, Kenta Takeda, Takashi Nakajima, Takashi Kobayashi, Amir Sammak, Giordano Scappucci, Seigo Tarucha在《自然》杂志发表文章

来自日本理化学研究所(RIKEN)和QuTech的研究人员—代尔夫特理工大学和荷兰应用科学研究组织(TNO)的合作伙伴—实现了开发容错量子计算机的一个关键里程碑。他们利用硅中的电子自旋量子位证明了99.5%的双量子位门的保真度—高于被认为是构建容错计算机的阈值的99%—这对于大规模量子计算机来说是很有希望的,因为已经存在建造它们的纳米加工技术。

目前,世界正在竞相开发大规模量子计算机,这些计算机在某些领域的性能可以远远超过经典计算机。然而,这些努力受到了许多因素的阻碍,特别是退相干问题,或在量子比特中产生的噪音。这个问题随着量子比特数量的增加而变得更加严重,阻碍了规模的扩大。为了实现可用于实用应用的大规模计算机,人们认为需要至少99%的双量子比特门的保真度来实现表面代码的纠错。这在某些类型的计算机中已经实现,使用的是基于超导电路、捕获离子和金刚石中的氮空位中心的量子比特,但这些都很难扩展到实现实用量子计算所需的数百万个量子比特,并进行误差校正。

为了解决这些问题,这个小组决定用一个量子点结构进行实验,该结构是在一个应变硅/硅锗量子阱衬底上进行纳米制造的,并使用一个可控的NOT(CNOT)门。在以前的实验中,由于门速度慢,门的保真度受到限制。为了提高门的速度,他们仔细设计了该装置,并通过在栅极电极上施加不同的电压对其进行调整。这结合了一种已建立的快速单自旋旋转技术,这技术使用具有大型两量子比特耦合的微磁体。其结果是,门速度比以前的尝试提高了10倍。有趣的是,尽管人们认为提高门速度总是会带来更好的保真度,但他们发现它有一个极限,即增加速度超过这个极限实际上会使保真度变差。

在实验过程中,他们发现一种被称为拉比频率的特性— 一种标志着量子比特如何响应振荡场而改变状态的特性— 是系统性能的关键。他们发现了一个频率范围,其中单量子比特门的保真度为99.8%,双量子位门的保真度为99.5%,清除了所需的阈值。

通过这一点,他们证明了他们可以实现通用运算,也就是说,所有构成量子运算的基本运算,包括一个单量子位运算和一个双量子位运算,都可以在门保真度高于纠错阈值的情况下进行。

为了测试新系统的能力,研究人员实行了双量子位Deutsch-Jozsa算法和Grover搜索算法。这两种算法都能以96%-97%的高保真度输出正确的结果,证明硅量子计算机可以进行高精确度的量子计算。

这项研究的第一作者Akito Noiri说:"我们很高兴实现了高保真的通用量子门组,这是硅量子计算机面临的关键挑战之一。"

研究小组组长Seigo Tarucha说:"这一结果首次使自旋量子位在通用量子控制性能方面与超导电路和离子阱竞争。这项研究表明,硅量子计算机与超导和离子阱一样,是实现大规模量子计算机的研究和发展的有希望的候选者。"

在同一期《自然》杂志上,两个独立的研究团队也报告了在硅量子位中实现相似的高保真通用量子门组的实验演示。QuTech的一个团队也在量子点中使用了电子自旋量子位。新南威尔士大学悉尼分校(UNSW Sydney)的另一个团队将硅中的离子注入磷核作为核自旋量子位。

https://www.nature.com/articles/s41586-021-04182-y

InAs和InSb表面的电子结构:密度泛函理论和角分辨光发射光谱学

作者:Shuyang Yang, Niels B. M. Schröter, Vladimir N. Strocov, Sergej Schuwalow, Mohana Rajpalk, Keita Ohtani, Peter Krogstrup, Georg W. Winkler, Jan Gukelberger, Dominik Gresch, Gabriel Aeppli, Roman M. Lutchyn, Noa Marom in Advanced Quantum Technologies

PSI的研究人员比较了两种半导体氧化层下方的电子分布。这项研究是开发特别稳定的量子比特的一部分努力—因此反过来说,也会是特别有效的量子计算机。他们现在已经在科学杂志《先进量子技术》上发表了他们的最新研究成果,这项研究得到了微软的部分支持。

到目前为止,如果没有量子计算机,计算的未来是无法想象的。在很大程度上,这些仍处于研究阶段。与经典计算机相比,它们有望将某些计算和模拟速度提高几个数量级。

量子比特(Quantum bits),或简称Qubits,形成了量子计算机的基础。所谓的拓扑量子比特可能被证明是更好的一种新型量子比特。为了弄清这些位元是如何产生的,一个国际研究小组在PSI的瑞士光源SLS进行了测量。

"遵循量子力学定律的计算机比特可以通过不同的方式实现。"该研究的作者之一Niels Schröter解释道。他曾是PSI的研究员,直到2021年4月,他搬到了德国哈雷的马克斯-普朗克微观结构物理研究所。"不幸的是,大多数类型的量子比特很快丢失了它们的信息;你可以说它们是健忘的量子比特。" 对此有一个技术解决方案。每个量子比特都有一个额外的量子比特系统做备份,可以纠正任何发生的错误。但这意味着,一台可运行的量子计算机所需的量子比特总数很快就会上升到数百万。

"我们现在正在和微软合作的方法完全不同,"Schröter继续说道。"我们想帮忙创造一种新的量子比特,这种量子比特不受信息泄露的影响。这将使我们只需使用几个量子比特就能实现一个超薄、可运作的量子计算机。"

研究人员希望通过所谓的拓扑量子比特获得这种抵抗力。这将是一个全新的东西,目前还没有研究团队能够创造出来。

通过2016年的诺贝尔物理学奖,拓扑材料变得更加广为人知。拓扑学原本是一个数学领域,探讨几何对象在变形时的表现。然而,为此开发的数学语言也可以应用于材料的其他物理特性。拓扑材料中的量子比特便是拓扑量子比特。

众所周知,某些半导体和超导体的薄膜系统可能产生奇异的电子态,来作为这种拓扑量子比特。具体来说,可考虑使用半导体材料制成的超薄短线。这些线的直径只有100纳米,长1,000纳米(即0.0001厘米)。在导线外表面的纵向方向上,导线的上半部分涂有一层薄薄的超导体。导线的其余部分没有涂层,因此在那里形成了一层自然氧化层。优化这些部件的计算机模拟预测,关键的量子力学电子态只位于半导体和超导体之间的界面,而不是半导体和其氧化层之间。

"在这些纳米线中产生的电子的集体不对称分布,在物理上可以描述为所谓的准粒子,"PSI的光子科学部门负责人Gabriel Aeppli说,他也参与了当前的研究。"现在,如果选择合适的半导体和超导体材料,这些电子应该在纳米线的末端产生特殊的准粒子,称为马约拉纳费米子。"

马约拉纳费米子是拓扑态。因此,它们可以作为信息载体,即作为量子计算机中的量子比特。

"在过去的十年里,世界各地的研究团队已经研究并完善了创造马约拉纳费米子的配方。"Aeppli继续说道。但继续这个类比:我们仍然不知道哪个烹饪锅会给我们这个食谱带来最好的结果。"

因此,当前研究项目的一个核心问题是对两个 "烹饪锅 "进行比较。研究人员调查了两种不同的半导体及其天然氧化层:一方面是砷化铟,另一方面是锑化铟。

在SLS,PSI的研究人员使用了一种叫做软X射线角分辨光电子能谱的研究方法—简称SX-ARPES。由美国卡内基梅隆大学的Noa Marom团队与PSI的Vladimir Strocov共同开发的一个新型计算机模型,用于解释复杂的实验数据。

"迄今为止,使用的计算机模型导致了大量无法处理的虚假结果。通过我们的新方法,我们现在可以查看所有的结果,自动过滤掉物理上相关的结果,并正确解释实验结果,"Strocov解释说。

通过SX-ARPES实验和计算机模型的结合,研究人员现在已经能够证明,锑化铟在其氧化层下方的电子密度特别低。这将有利对于在计划的纳米线中形成拓扑马约拉纳费米子。

Niels Schröter总结道:"因此从氧化层下的电子分布角度来看,锑化铟比砷化铟更适合作为拓扑量子比特的载体材料。"然而,他指出,在为拓扑量子计算机寻找最佳材料时,肯定要权衡其他优缺点。"我们先进的光谱方法肯定会有助于寻找量子计算材料,"Strocov说。"PSI目前正在采取重大措施来扩大瑞士的量子研究和工程,SLS是其中的一个重要部分。"

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/qute.202100033

使用扭曲的N00N状态的光子角超分辨率

Markus Hiekkamäki, Frédéric Bouchard, Robert Fickler in Physical Review Letters。

在量子计量学领域,科学家们正在开发新的测量方案,这些方案受益于量子特征,比经典的传统方法更加精确和敏感。来自芬兰坦佩雷大学和加拿大国家研究委员会的研究小组现在已经展示了一种简单而强大的技术,即双光子N00N状态,可以用来创建空间结构的光量子态,在旋转估计方面可以超越经典的极限。该结果发表在《物理评论快报》(Physical Review Letters)期刊上。

实验装置的概念性图片。在第一个SLM(SLM1)上使用两个全息图,将所需的结构独立地印在每个光子上。然后使用分光器将两个光子重叠,以使光子聚集到相同的空间结构中,因此,在探测样品时允许单束操作。为了测量双光子状态,光子被分光器分开,并被送到SLM2,在那里另一组全息图被用来测量每个光子的结构(详见正文)。插图显示了在SLM1上显示的全息图的一个例子,以产生ℓ=±2的OAM N00N状态,一个样品位置的例子,以及光子在设置的不同点上具有的横向场结构通过二维彩色图显示(见右边的色条)。

"我们的实验结果展示了一种简单而强大的定制双光子量子态的方法,并为能够实现高测量精度的应用带来了希望。我们的方法的简单性为创建一个测量系统开辟了一条道路,该系统在目前的技术下可以击败经典的估计极限,"博士研究员和主要作者Markus Hiekkamäki解释说。

该方法利用了一个基本的量子特征,即两个光子之间的干扰,这通常被称为光子束。与更常见的光子束缚在同一物理路径上不同的是,这个新颖的方案导致了束缚在同一空间结构上。

"在我们的案例中,量子干涉导致了两个光子的纠缠状态。由于实现状态的量子性质,与印在类似数量的单光子或激光上的相同空间形状相比,纠缠的光子对能给出更好的测量精度。坦佩雷大学实验量子光学组组长Robert Fickler副教授说:"利用一种反直觉的量子反应,我们能够表明,将有可能实现绝对量子极限的测量精度。”

除了旋转测量,该方法还可以为横向空间模式生成大量不同的量子状态。因此,它也可以用于许多不同类型系统的测量,以及对光的多光子量子态的基本测试。

在证明了旋转估计方面的优势后,研究人员现在正计划利用该方法对波的另一个基本属性—Gouy相进行新的揭示。此外,他们还研究如何将其扩展到多自由度的量子增强测量方案中。

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.127.263601

在干净多型异质结构中稳定的二维电荷序

由Suk Hyun Sung等人在《自然通讯》上发表

密歇根大学开发了一种半导体材料,导体可在室温以上的条件下量子"翻转"成绝缘体。它有可能使世界更接近新一代的量子设备和超高效的电子产品。

此前,只有一个原子厚的硫化钽二维结构中观察到,支持这种量子翻转的奇异电子结构只能在华氏零下100度的超低温度下稳定。这种新材料可在高达170华氏度的温度下保持稳定。

在室温下,在超薄TaS2中形成孪生、相称的CDW。1T-TaS2中室温、面外孪晶、相称CDW的示意图。蓝色和红色覆盖层描绘了八面体协调TaS2中的CDW孪晶。金属棱柱多面体隔离八面体层以稳定tC-CDWs。b,c 分别为α和βC-CDW展示了孪晶超晶格结构。d(870nm)2视场上孪晶C-CDW态的平均衍射图显示了两组超晶格峰(用蓝色和红色标记;未标记的图像可在补充图S12a中获得)。e,f 来自每一组超晶格峰的f纳米束衍射成像映射了两个CDW孪晶的共存——预期孪晶在平面外。比例尺是300纳米。

"我们为电子和量子材料的未来开辟了一个新的游乐场,"U-M材料科学和工程助理教授Robert Hovden说,他是《自然通讯》上这篇论文的通讯作者。"它代表了一种获得奇异状态的全新方式。"

霍夫登解释说,奇异的量子特性—比如从导体切换到绝缘体的能力—可能是下一代计算的关键,它提供了更多存储信息的方法和更快的状态切换。这可能会导致更强大和更节能的设备。

今天的电子产品使用微型电子开关来存储数据;"开 "是1,"关 "是0,当电源关闭数据就会消失。未来的设备可以使用其他状态,如 "导体 "或 "绝缘体 "来存储数字数据,只需要快速闪烁的能量来切换状态,而不是稳定的电流。

然而,在过去,这种奇异的行为只有在超低温的材料中被观察到。最终的目标是开发能够在室温下根据需要快速从一种状态 "翻转 "到另一种状态的材料。Hovden说,这项研究可能是朝着这个方向迈出的重要一步。

他说:"以前在超低温下的研究表明,有可能使这些类型的翻转,按需求一次又一次地发生。"这不是这个项目的重点,但是我们能够在室温下保持一次翻转的稳定,这一事实都开启了许多令人兴奋的可能性。"

从导体到绝缘体的翻转是由一种叫做电荷密度波的现象支持的—一种在某些条件下自发发生的有序的、类似晶体的正负电荷模式。

"电荷密度波以前在硫化钽的巨大样品中被观察到,但该材料必须处于超冷温度下。"Hovden说道。"通过将几个二维层交错在一起,我们能够使其更加稳定。"

该团队首先制造了几个单原子厚的硫化钽层夹在一起的样品。每一层都是处于所谓的八面体状态的半导体,这指的是钽和硫原子的特定排列。虽然存在一些电荷密度波,但它们太不稳定和无序了,无法产生像导体-绝缘体翻转这样的奇异行为。

但是Hovden实验室的研究生研究员、该论文的第一作者Suk Hyun Sung通过在无氧环境中加热样品,改变了样品的特性,同时在电子显微镜下观察这一过程。随着样品的加热,各层开始逐一转换为棱柱状状态—相同原子的不同排列形式。

当大多数但不是所有的层都转换为棱柱状态时,Sung将样品冷却到室温。他发现,仍然处于八面体状态的层表现出有序和稳定的电荷密度波,并在高达170华氏度的温度下保持这种状态。此外,这些层已经从半导体翻转为绝缘体。

"大多数二维材料都会受到它们所处环境和空气中任何物体所有缺陷的影响,这使得它们非常不稳定。"Sung说道。"但我们发现,当八面体层位于几个棱柱体层之间时,它们更加稳定。"

该团队正在进一步研究这一现象,调整该过程的更多变量,并测试控制电荷密度波所激发的奇异行为的机制。目前,这个新发现让他们对量子态和二维材料的工作原理有了重要的了解。

https://www.nature.com/articles/s41467-021-27947-5

真实世界双场量子密钥分发的相干相位转移

Cecilia Clivati等人在《自然通讯》发表

意大利国家计量研究院(INRIM)与东芝欧洲公司(Toshiba Europe)合作,在意大利200公里的量子主干上进行的一项实验,结果表明相干激光干涉技术显著改善了现实世界长距离网络中量子密钥分发协议的性能。这项研究已经发表在《自然通讯》上。

量子密钥分发(QKD)协议使加密密钥能够在遥远的各方之间共享,并具有量子力学定律所保证的内在安全性。这是通过单光子的传输来实现的,单光子是构成光的基本粒子。

人们对这一主题的兴趣远远超出了科学界的范围,现在具有强烈的战略和商业意义。欧盟委员会在 "欧洲量子通信基础设施 "计划内,目标在未来10年内将量子密钥分发技术整合到整个欧盟的特定服务中,而INRIM将通过OQTAVO项目一起参与这一基础设施的设计。

实现远距离量子网络的主要障碍之一是量子信号的 "脆弱性":单光子状态携带的能量极低,这使得它们很难被检测到,更何况考虑到通过电信光纤传播100公里后,99%的信号会丢失。此外,剩余的单光子状态所携带的信息会被严重扭曲。

TF-QKD的原理方案。a在理想的TF-QKD中,Alice和Bob对局部激光器上的量子态(QS)进行编码,衰减到单光子水平,且具有相同的频率νa=νB。产生的信号被发送到Charlie,在那里它们干扰单光子探测器(D0和D1)。b在实际实施中,频率为νR的参考激光器通过服务光纤发送给Alice和Bob,以锁相QKD激光器,并确保νa=νb=νR。信息编码后,QKD激光器通过QKD光纤发送给Charlie。QS的传输周期性中断,以发送以更高强度光子脉冲(ref)编码的参考相位状态,从而检测光纤长度和折射率波动引起的传播路径变化。通过致动器(act)调整入射激光的相位来抵消这些影响或者在后处理中考虑QKD光纤之间的瞬时相位偏差。c在我们的方法中,一个频率为νS的附加传感激光器与参考激光器一起穿过服务光纤,与QKD激光器一起穿过QKD光纤。它可以被光谱分离,因为νS落在密集波分复用(DWDM)网格的不同通道中。当QKD激光器干扰D0和D1时,在光电二极管(PD)上比较νS处的经典信号,以检测服务光纤和QKD光纤的噪声。这允许严格控制光纤噪声和同步密钥流。

意大利国家计量研究院(INRIM)已经在计量学方面研究了这些问题,并与其他NMI合作,开发了特定的激光干涉测量技术,允许恢复通过长距离光纤传输的信息。如今,这些技术是最先进的原子钟比较的核心。

现在,通过对相干激光干涉测量、单光子技术和量子计量学的协同利用,INRIM显示,单光子状态中包含的信息可以得到明显的改善,允许降低错误率并增加交换信息的长度。这些改进为利用双场量子密钥分发技术实现更高效的QKD协议铺平了道路,该技术目前被视为长距离量子网络最有希望的候选技术。

实验沿着意大利量子主干的200公里跨度进行,这是一个由INRiM开发的1800公里的基础设施,用于向意大利的研究设施和高科技公司分配原子时间和频率,以及基础物理、地球物理遥感和量子技术的科学应用。

这项研究也是与商业量子技术产品开发的领先公司东芝欧洲公司和活跃在意大利北部的网络供应商TOP-IX财团合作的结果,该财团将其部分基础设施用于这项研究。

这种协同作用使研究人员在开发欧洲量子通信基础设施的道路上取得了杰出的成果。

https://www.nature.com/articles/s41467-021-27808-1

超流体氦气中固体纳米粒子的光学俘获

作者:Yosuke Minowa等人,发表在《Optica》上

来自大阪大学工程科学研究院的科学家们首次在超流体氦中使用光镊。通过强烈聚焦的光束,他们证明了在超低温度下对纳米粒子的稳定俘获。这项工作可能有助于科学家更好地理解区分经典和量子效应的概念边界。

研究量子力学的奇怪世界往往很困难,因为一些最有趣的现象只发生在极端条件下。例如,当氦气被冷却到非常低的温度时,它可以形成一种超流体状态,它的流动没有粘性或摩擦。这种变化是由于物质的量子 "波状 "性质造成的,在这种情况下,超冷的氦原子开始协调,其行为几乎像单个粒子。虽然超流体氦的存在早已为人所知,但它与较大物体相互作用的方式尚未得到充分研究。

现在,来自大阪大学的一个研究小组使用光镊操纵了悬浮在超流体氦中的纳米粒子。他们能够利用这种光学俘获效应将金属和电介质纳米粒子限制在仅比绝对零度高1.4度的超流体氦气中。

第一作者Yosuke Minowa说:"这项实验是首次光镊在超低温下的成功应用,因为我们在零下271摄氏度下工作。捕获的纳米颗粒由金或氧化锌制成,大小在10至80纳米之间,可以保持悬浮30分钟。

金和氧化锌纳米颗粒在超流氦中的光学捕获。(A) 线偏振激光束通过浸入超流氦中的非球面透镜(L1)紧密聚焦。通过聚焦透镜(L2)的激光烧蚀,将目标纳米颗粒装入超流氦中。(B) 激光烧蚀前八面体金纳米颗粒的SEM图像。(C)激光烧蚀喷射出的金纳米颗粒的TEM图像。(D) 激光烧蚀前(红色)和后(蓝色)的金纳米颗粒尺寸分布。(E) 激光烧蚀法制备氧化锌微米和纳米颗粒。

光镊允许使用激光的强聚焦光束对微小的纳米粒子进行三维限制。光的作用类似于一束 "牵引光束",这种方法被广泛用于物理、化学、生物学和医学研究。通常情况下,光镊在室温下工作,但这项研究为新的低温应用开辟了道路。

"我们的工作能够探索量子流体和经典纳米材料之间前所未有的相互作用。"Minowa说。

在超流体氦气中,出现了称为旋涡的微小漩涡,但每个漩涡只能以特定的允许值下旋转。在未来,纳米粒子可能被用于可视化,甚至控制这些漩涡。这项研究可能有助于更好地理解量子领域和熟悉的物理定律之间的转换。

https://www.osapublishing.org/optica/fulltext.cfm?uri=optica-9-1-139&id=468621

催化作用中的强关联电子:聚焦于量子交换

由Chiara Biz等人在《ACS催化》上发表

MagnetoCat SL(西班牙阿利坎特)的研究小组在ACS催化上发表了一篇关于多相催化中的磁性的基础理论工作。该小组由博士生Chiara Biz小姐、Mauro Fianchini博士和Jose Gracia博士组成,提出了一个复杂而全面的理论处理,将电子自旋、磁性和多相催化联系起来。这种处理方法涉及到固体中关联电子的行为,以及它们在平衡排斥力和吸引力的同时,为避开彼此而实施的量子力学 "伎俩"。

众所周知,相对论和量子力学将电子的量化磁矩称为自旋。当许多这些自旋在复杂的材料中一起合作时,可能会形成若干组合和域。这些域的宏观结果被称为磁力。

根据MagnetoCat的团队,磁性会影响材料的催化性能。

然而,长期以来,磁力在多相催化中的作用一直被化学家们所忽视,那么为什么现在要研究它呢?

答案很简单:因为在未来几年,磁学可能会导致实现 "更绿色 "和更高可持续性的化学。磁性对催化作用的巨大提升,为改善氢气生产和水分离的过程铺路。此外,丰富的磁性金属,如铁、钴和镍,可以作为催化结构中更重、更稀有和更昂贵的金属(如铂或金)的绝佳替代品。环境和经济携手并进。

在2020年期间,MagnetoCat的小组已经对铂金属合金(其中金属为铁、钴和镍)在氢燃料电池中比纯铂更高的活性进行了计算预测,他们确信实验将很快证实这些预测,并为工业化实施铺平道路。该团队现在正致力于在SPINCAT项目的框架内进行磁性催化剂的计算驱动催化设计。

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acscatal.1c03135

甲醛中的轨道共振揭示了漫游、自由基和分子通道的耦合作用

Casey D. Foley等人在《科学》杂志上发表

科学家们现在离更好地理解如何生活在一个"量子"世界更近了一步—而不仅仅是通过观看漫威电影系列中的 "蚁人"这个角色。

例如从微观上看,地球大气层的微妙保护屏障创造了臭氧层,保护了我们所知的生命。在这层空气中,氧分子几乎一直受到太阳紫外线的攻击,紫外线通过一种被称为光解的化学过程将这些分子分解。虽然这个过程肉眼看不见,但科学家可以在最小的尺度上观察这些微观的相互作用—量子水平。

密苏里大学的科学家们在最近发表在《科学》杂志上的一项研究中,提供了大气污染物甲醛的光解作用在量子水平上的证据,从而表明光解反应不能被经典地对待,就像台球走到一起,碰撞和重新连接一样,密苏里大学文理学院的馆长特聘化学教授、该研究的共同通讯作者Arthur Suits说道。

"如果只考虑传统意义上的‘台球’化学反应,化学家将错过分子的真正作用。"Suits说。"众所周知,当一个分子变得非常冷时,量子效应是非常重要的。令人惊讶的是,在光解离的高能量下出现强大的量子效应。这个新的见解不仅可以改变我们对分子行为方式的看法,而且还可能影响整体的化学组成,而这反过来又因为量子特性的这一附加维度,可能导致化学以意想不到的方式发展。"

这项新研究涉及漫游,在漫游中,光解离将一个分子分解成碎片,但这些碎片会回来并相互反应。到目前为止,“台球”模型完全可以与这样的实验相匹配。该研究显示,更详细的测量不能以这种方式处理。

相反,他们必须使用一个更复杂的量子模型来确认他们所观察到的异常特性。Suits认为,他们的发现有朝一日可以帮助科学家从理论上更好地理解大气层中的化学成分,无论是在臭氧保护我们的平流层,还是在它是一种危险污染物的地面层。

"例如,如果你想了解大气层的化学性质,你首先需要了解当光被吸收和分子开始解离时会发生什么,"Suits说。"化学家们可能认为他们不必担心光解离在量子水平上发生了什么,这只是原子的经典台球效应,但我们在这里表明,情况并不总是如此,化学家们需要在一定程度上改进他们的直觉。"

https://www.science.org/doi/10.1126/science.abk0634

其他

https://twitter.com/quantumjournal/status/1490640245943119872

https://thequantuminsider.com/2022/01/20/6-top-data-scientists-in-the-quantum-computing-industry/

6位量子计算行业的顶级数据科学家。

主要来源

Research articles

Advanced Quantum Technologies

PRX Quantum

Science Daily

SciTechDaily

Quantum News

Nature

参考文献

  1. https://www.marketsandmarkets.com/Market-Reports/quantum-computing-market-144888301.html
  2. 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. https://www.nature.com/articles/s41586-021-04292-7
  4. https://www.youtube.com/watch?v=bjLUhg5mKic
  5. https://www.nature.com/articles/s41586-021-04182-y
  6. https://arxiv.org/abs/2012.14935
  7. https://ieeexplore.ieee.org/document/9542099/
  8. https://www.nature.com/articles/s41467-021-27947-5
  9. https://www.nature.com/articles/s41467-021-27947-5#MOESM1
  10. https://arxiv.org/abs/2012.15199
  11. https://arxiv.org/abs/2105.11631
  12. https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acscatal.1c03135
  13. https://www.science.org/doi/10.1126/science.abk0634

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