DAOrayaki |QT/量子模拟器带来的新洞察

DAOrayaki |QT/量子模拟器带来的新洞察

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:130 USD

研究种类:Quantum Computing, New Research, Survey

原文作者:   Paradigm

创作者:Xinyang@DAOrayaki.org

审核者:Tan Zhi Xuan@DAOrayaki.org

原文:  QT/ Quantum simulator delivers new insight

太长不看版:

  • 一个量子模拟器让物理学家清楚地看到了自旋电荷分离,这是一种奇怪的现象,在极冷的一维导线中,被称为电子的不可分割粒子的两个部分以不同的速度移动。这项研究对量子计算和带有原子级导线的电子元件有影响。
  • 新的科学成果证实了在以前的实验中看到的一个异常现象,它可能指向一个尚未证实的新基本粒子——惰性中微子,或者表明需要对标准模型物理学的一个方面进行新的解释,例如60年前首次测量的中微子截面。
  • 研究人员以前所未有的速度测量了微小的磁场。通过使用超快光谱监测氮空穴中心的自旋,这项工作可能会带来极其精确的未来量子计算机。
  • 由于量子计算机激增并对公众开放,未来的量子程序员正挠着头急于参与进来。这里有一份对量子算法及其在现有硬件上的实现进行了全面介绍的新初学者指南。深入浅出的指南解释了基础知识,描述了主要的量子算法,并通过在公开可用的量子计算机上实现它们的步骤。
  • 利用尖端的电子显微镜和新技术,一个研究小组找到了一种以原子分辨率绘制声子(也就是晶体格中的振动)的方法,从而能够更深入地了解热量通过量子点——电子元件中的工程纳米结构——的方式。
  • 使用传统方法,计算较大分子的光谱指纹是非常耗时的。但这是正确解释实验获得的数据的先决条件。现在,一个团队利用自我学习的图神经网络,在明显较短的时间内取得了非常好的结果。
  • 一个物理学家团队已经找到了一种在量子极限下操作大规模可制造的光子传感器的方法。这一突破为监测温室气体和癌症检测等实际应用铺平了道路。
  • 研究人员极大地改善了先前开发的量子膜的相干时间。这一改进将扩大该膜在各种不同用途上的可用性。由于相干时间为100毫秒,该膜可以储存敏感的量子信息,以便在量子计算机或网络中进一步处理。
  • 超轻粒子云可以在旋转的黑洞周围形成。一个物理学家小组现在表明,这些云会在双子黑洞发出的引力波上留下特征性的印记。
  • 物理学家设计了一个框架,使科学家能够使用传统的扫描电子显微镜观察光和电子之间的相互作用。该工艺比迄今为止使用的技术要便宜得多,而且还能进行更广泛的实验。
  • 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(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相关的研究和开发活动。一些公司正专注于在后COVID-19时代采用量子计算即服务QCaaS。反之,这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

具有可调谐相互作用的一维费米气体(Fermi gas)中的自旋电荷分离

by Ruwan Senaratne, Danyel Cavazos-Cavazos, Sheng Wang, Feng He, Ya-Ting Chang, Aashish Kafle, Han Pu, Xi-Wen Guan, Randall G. Hulet in Science

莱斯大学(Rice University)的一个量子模拟器让物理学家清楚地看到了自旋电荷分离,这好比是魔术师将人锯成两半的量子世界版本。这项研究对量子计算和带有原子级导线的电子产品带来影响。

电子是极微小的亚原子粒子,不能再被分割。尽管如此,量子力学决定了它的两个属性那就是自旋和电荷,并在一维导线中以不同的速度传播。

莱斯大学的物理学家 Randy Hulet、Ruwan Senaratne 和 Danyel Cavazos 建立了一个超冷的场地,在那里他们可以反复观看和拍摄这种量子奇观的原始版本,他们与来自莱斯大学、中国、澳大利亚和意大利的理论家合作,发表了成果。

布拉格光谱学(Bragg spectroscopy)的自旋和电荷激发。(A) 6Li的部分能级图显示了自旋(Δs,紫色)和电荷(Δc,红色)激发的相关转变和激光失谐。(B) 每个布拉格光束(1和2)相对于垂直于1D管方向的轴的相对方向(θc,s)。中心管的动量转移q→=k→1-k→2≈0.2 kF,在光束之间给定的相对失谐 ω=ω1-ω2 的情况下,被传递到样品。(C和D)电荷和自旋激发示意图,显示了(с)粒子—空穴对(particle-hole pair)和(D)自旋子对的激发。对总密度 ρ(z) 和自旋密度 σ(z) 的影响显示在每一种情况的底部。为了清楚起见,激发被描述为从强排斥体系中的经典零温度反铁磁基态开始。

量子模拟器利用原子、离子或分子等真实物体的量子特性来解决传统计算机难以或无法解决的问题。莱斯大学的自旋电荷模拟器用锂原子作为电子的替身,用光的通道来代替一维导线。

宇宙中充斥着热量,掩盖了原子的量子行为。为了感知锂的量子效应,Hulet 的团队使用激光冷却,使其原子比宇宙中最冷的自然物体要冷100万倍。额外的激光器创造了一维光通道,或光波导。

https://youtu.be/QqUYLuz51Lc

电子是反社会的量子粒子,拒绝彼此分享空间。自旋电荷分离是这种相互厌恶在一维空间的一种表现形式。它是由物理学家友 Shinichiro Tomonaga 和 Joaquin Luttinger 在大约60年前从理论上提出的。但是在电子材料中测量它已经被证明是异常困难的。莱斯大学的 Fayez Sarofim 物理学教授和莱斯量子计划的成员 Hulet 说,该模拟器可以以一种前所未有的方式来探测自旋电荷分离的物理学。

“人们已经在固态材料中观察到自旋电荷分离,但他们没有以一种非常干净或定量的方式看到它。”Hulet说,“我们的实验确实是第一次提供可量化的测量,可以与几乎精确的理论进行比较。”

真实的材料有缺陷,但是 Tomonaga 和 Luttinger 的理论描述了电子在无缺陷的一维导线中的行为。新的模拟揭示了真实量子粒子在类似于理论理想的原始环境中的行为。

“冷原子使我们有能力调整粒子之间的相互作用强度,允许与 Tomonaga-Luttinger 液体理论进行几乎是教科书般的比较。”Hulet说。

布拉格光谱。与 Sc(q, ω)(红色三角形)和 Ss(q, ω)(蓝色圆圈)有关的归一化布拉格信号,三维散射长度 a 从 0 到 500a0 的范围。每个数据点是至少20次独立实验的平均值。误差条代表标准误差,通过自举法获得(40)。垂直虚线显示了非相互作用情况下提取的峰值频率 ωp(黑色)和自旋和电荷模式的最强探测相互作用(蓝色和红色,分别)。实线是在全局温度 T = 250 nK 的情况下计算出的布拉格光谱,除总体比例外没有额外的拟合参数。理论包括电荷模式下的带状弯曲和自旋模式下的反向散射的非线性效应(线性理论,见图 S7 和 S8)。在高频率下与理论的偏差可能是由于未考虑到的 q3 阶的修正。

当一个电子撞击另一个电子时,它所传递的能量可以将被撞击的电子激发到一个更高的能量状态。在三维材料中,被激发的电子会飞走,与某些东西相撞,失去一点能量,向一个新的方向飞去,与其他东西相撞,如此反复。但这在一维材料中不可能发生。

“在一维空间中,每一次激发都是集体的,”Hulet说,“如果你在一维导线中推动一个电子,它就会推动它旁边的一个,它又会推动它旁边的一个,如此反复。”

Hulet 实验室的研究科学家 Senaratne 说,“它们不能相互移动。它们被困在一条线上。如果你移动它们中的一个,你必须移动它们全部。这就是为什么一维导线中电子的激发必然是集体的。”

当电子在一维空间中碰撞时,激波在电线上荡漾开来。Tomonaga 和 Luttinger 意识到,自旋激发的波会比电荷波移动得慢。但是 Hulet说,把这种分离想象成电子的分裂——或者在模拟器的情况下,想象成锂原子的分裂——是不正确的。

“这并不直观,”他说。“你必须设想物质作为波存在。”

自旋—电荷分离。电荷(红色三角形)和自旋(蓝色圆圈)配置的测量布拉格光谱的峰值,范围从 0 到 500a0。峰值频率值是通过对最大测量值 50% 以上的数据点进行抛物线函数拟合确定的,误差条是相关拟合参数的统计标准误差。相应的声速 vp = ωp/q 由右轴给出。上方横轴给出了以 Lieb-Liniger 参数 γ* 表示的相互作用强度,在占有30个原子的管子的中心进行评估。线条显示了电荷模式和自旋模式的 ωp 的计算值(分别为红色虚线和蓝色虚线)。为了清楚起见,a=0 和 100a0 的符号已经从水平方向上稍微移开。在低相互作用下,电荷模式数据和理论中的非单调性是由在不同相互作用强度下准备的数量分布中的小的残差引起的。自旋模式理论中的非单调性可能是忽略了带状曲率的影响,即q3校正的结果。

2018年,Hulet 的小组做了一个可以激发相当于电荷波的一维模拟器,他的小组测量了电荷波移动的速度。为了测试托 Tomonaga-Luttinger 液体模型,他们需要将这些电荷波的速度与自旋波的移动速度进行比较。

“我们当时无法激发自旋波,但是 Ruwan 和 Danyel 组装了一个可用的系统,”Hulet说,“我们必须克服一个与称为自发发射的过程有关的技术障碍。”

Cavazos 说:“我们试图看到的效果,是有点微妙的。因此,如果你对它进行过多的扰动,它就会被冲走。一个比喻是,如果我们试图拍摄一个东西,但闪光灯会破坏我们试图拍摄的东西。所以我们不得不改变闪光灯的颜色,使其更加温和。我们还对系统做了点改变,使其不再像以前那样脆弱。这种组合使我们能够真正看到这种微妙的效果。”

实验数据与研究报告的共同作者、中国科学院和澳大利亚国立大学的 Xi-Wen Guan 研究小组和莱斯大学的共同作者 Han Pu 研究小组所做的最先进的理论计算的预测密切匹配。

SDWs 和 CDWs 的散布情况。(A和B)在布拉格脉冲和150-μs的飞行时间后,(A)电荷(dc,红色三角形)和(B)自旋(ds,蓝色圆圈)激发的1/e2轴向耦合原子的宽度,a 范围从 0 到 500a0。宽度是对 ωp 处正的外耦合信号的高斯拟合。误差条是通过对至少20个独立图像进行引导确定的标准误差(40)。横轴给出了针对30个原子的中位管占用率计算的 Lieb-Liniger 参数γ*(27)。蓝色虚线表示从自旋玻色子的有限寿命中得出的对 ds 的估计。(C到F)布拉格脉冲和飞行时间后原子云的柱密度(ρc)图像的代表样本。所显示的是电荷模式激发的 ©a=0 和(D)a=500a0,以及自旋模式激发的(E)a=0和(F)a=500a0。每一帧对应于40微米乘65微米。

“随着集成电路变得越来越小,芯片制造商不得不开始担心尺寸问题,”Hulet说,“他们的电路最终成为一个一维系统,必须以我们一直在谈论的一维导线的方式传导和运输电子。”

这项研究还可以帮助开发拓扑量子计算机的技术,将信息编码在没有困扰当今量子计算机的退相干的量子比特中。微软和其他公司希望用可能存在于一些一维或二维超导体中被称为马约拉纳费米子(Majorana fermions)的量子粒子创造拓扑量子比特。Hulet 的长期目标是模拟一种能够承载马约拉纳费米子的一维超导体,他说本周的报告代表着向这个目标迈出了一大步。

“我们正在了解这些系统,”他说,“重要的是有人在做基础工作,学习如何在实验中操纵事物,观察结果意味着什么以及你如何理解它们。这项工作是一个重要的步骤。它证明了我们有能力在一个模拟一维超导体的系统上做实验。”

适合初学者的量子算法实现

by Abhijith J., Adetokunbo Adedoyin, John Ambrosiano, Petr Anisimov, et al in ACM Transactions on Quantum Computing

由于量子计算机激增并对公众开放,未来的量子程序员正挠着头急于参与进来。这里有一份新的初学者指南对量子算法及其在现有硬件上的实现进行了全面介绍。

“编写量子算法与编写经典计算程序完全不同,需要对量子原理及其背后的数学有一些了解。”洛斯阿拉莫斯国家实验室(Los Alamos National Laboratory)的科学家、最近出版的指南的主要作者 Andrey Y. Lokhov 说,“我们的指南帮助量子程序员在这个领域起步,随着越来越多的量子计算机和越来越多的量子比特变得普遍,这个领域必然会发展。”

在简洁、独立的章节中,该指南描述了20种量子算法——包括著名的、基础性的量子算法,如用于数据库搜索等的 Grover 算法,以及用于整数分解的 Shor 算法。通过与现实世界的联系,该指南带领程序员在 IBM 公开的5量子比特 IBMQX4 量子计算机和其他计算机上实现这些算法。在每个案例中,作者都讨论了实施的结果,并解释了模拟器和实际硬件运行之间的差异。

一本新的量子算法编程指南,指导程序员完成每一步,从理论到在IBM公开的5量子比特ibmqx4量子计算机和其他计算机上实现算法。图片来源:Dreamstime

洛斯阿拉莫斯的高级量子计算科学家 Stephan Eidenbenz 说:“这篇文章是洛斯阿拉莫斯的信息科学和技术研究所(ISTI)的快速反应努力的结果,大约有20名实验室工作人员自我选择在IBM Q量子系统上学习和实施标准的量子算法,”他是这篇文章的共同作者,也是开始工作时 ISTI 的主任。

Eidenbenz说,其目的是通过指导那些没有或很少有量子计算经验的工作人员在现实生活中的量子计算机上实施量子算法,使洛斯阿拉莫斯的工作人员为量子时代做好准备。Eidenbenz 说,这些工作人员,加上一些学生和成熟的量子专家,组成了这篇"众包"概述文章的长长的作者名单,文章已经被大量引用。

指南的第一部分涵盖了量子计算机编程的基础知识,解释了量子比特和量子比特系统,叠加和纠缠的基本量子概念以及量子测量,然后再讲解有关么正变换和门、量子电路和量子算法的更深层次材料。

关于 IBM 量子计算机的部分涵盖了可用于算法的门的集合、实际实现的物理门、量子比特的连接方式以及噪声或错误的来源。

另一节介绍了各种类型的量子算法。从这里开始,指南深入到20个选定的算法,包括问题定义、描述和在 IBM 或(少数情况下)在其他计算机上实现每个算法的步骤。指南末尾的大量参考资料将帮助感兴趣的读者在探索量子算法的过程中更加深入。

巴克桑惰性转化实验(BEST)的结果

by V. V. Barinov, B. T. Cleveland, S. N. Danshin, H. Ejiri, et al in Physical Review Letters

新的科学成果证实了在以前的实验中看到的异常现象,这可能指向一个尚未证实的新基本粒子——惰性中微子,或者表明需要对标准模型物理学的一个方面进行新的解释,例如60年前首次测量的中微子截面。洛斯阿拉莫斯国家实验室是合作进行巴克桑惰性转化实验(BEST)的美国牵头机构。

“这些结果非常令人激动。”评估数据的团队之一的首席分析师、洛斯阿拉莫斯物理部门的成员 Steve Elliott 说,“这无疑再次证实了我们在以前的实验中看到的异常情况。但是这意味着什么并不明显。现在关于惰性中微子的结果是相互矛盾的。如果结果表明基本的核物理或原子物理学被误解了,那也将是非常有趣的。” 洛斯阿拉莫斯团队的其他成员包括 Ralph Massarczyk 和Inwook Kim。

在俄罗斯高加索山脉的巴克山中微子观测站地下一英里多的地方,BEST 利用 26 个经过辐照的铬51盘,一种铬的合成放射性同位素和340万库里的电子中微子源,来辐照镓的内部和外部槽(tank),这是一种柔软的银色金属,以前实验也使用它,尽管以前是单槽的设置。来自铬51的电子中微子和镓之间的反应产生了同位素锗71。

镓Ga目标和提取管道图也表明了源处理装置。

测量到的锗71的产生率比根据理论建模的预期低20-24%。这一差异与以前的实验中所看到的异常情况是一致的。

BEST建立在一个太阳中微子实验——苏美镓实验(SAGE)的基础上,从20世纪80年代末开始,洛斯阿拉莫斯国家实验室是该实验的主要贡献者。该实验也使用了镓和高强度的中微子源。该实验和其他实验的结果表明电子中微子的不足——预测和实际结果之间的差异,被称为“镓异常”。对这种不足的解释可能是电子中微子和惰性中微子状态之间振荡的证据。

同样的反常现象在 BEST 实验中再次出现。可能的解释再次包括震荡成惰性中微子。这种假设的粒子可能构成暗物质的一个重要部分,这是一种被认为构成物理宇宙绝大部分的可能物质形式。不过,这种解释可能需要进一步测试,因为每个槽的测量结果大致相同,尽管比预期的要低。

对这一反常现象的其他解释包括实验的理论输入可能存在误解——物理学本身需要重修。Elliott 指出,电子中微子的截面从来没有在这些能量下被测量过。例如,测量截面的一个理论输入是原子核处的电子密度,这很难确认。

实验的方法经过彻底审视,以确保在研究的各个方面没有错误,如辐射源的放置或计数系统的操作。未来如果进行实验的迭代,可能包括一个不同的辐射源,其能量更高,半衰期更长,对更短的振荡波长敏感。

金刚石晶体中氮空穴中心引起的超快光磁效应

by Ryosuke Sakurai, Yuta Kainuma, Toshu An, Hidemi Shigekawa, Muneaki Hase in APL Photonics

来自筑波大学(University of Tsukuba)的科学家们展示了超快光谱学如何被用来提高量子传感器的时间分辨率。通过测量金刚石晶格内相干自旋的方向,他们表明,即使在很短的时间内也可以测量磁场。这项工作可能允许推进被称为量子计量学的超高精度测量领域,以及基于电子自旋的“自旋电子”量子计算机的运行。

量子传感提供了以纳米级分辨率对温度以及磁场和电场进行极其精确监测的可能性。通过观察这些特性如何影响传感分子内的能级差异,纳米技术和量子计算领域的新途径可能变得可行。然而,由于发光寿命有限,传统的量子传感方法的时间分辨率以前一直被限制在微秒范围内。需要一种新的方法来帮助完善量子传感。

(a) 图示了用于瞬时克尔旋转(Kerr rotation)测量的光学装置。PBS 代表一个偏振分光镜立方体。插图:金刚石中包括 NV 中心的逆法拉第效应(inverse Faraday effect)示意图。诱导磁场 H 的方向取决于泵浦光的螺旋度,±σ。(b) 样品A在 I≈29 mJ/cm2 时的Kerr-rotation 的时间演变。

现在,由筑波大学领导的一个研究小组开发了一种新的方法,用于在一个著名的量子传感系统中实现磁场测量。氮空穴(NV,nitrogen-vacancy)中心是金刚石中的特定缺陷,其中两个相邻的碳原子被一个氮原子和一个空穴所取代。这个部位的额外电子的自旋状态可以用光脉冲来读取或相干地操纵。

“例如,带负电的NV自旋状态可以作为一个具有全光读出系统的量子磁力计,甚至在室温下也可以。”第一作者 Ryosuke Sakurai 说。

该团队使用“逆向 Cotton-Mouton”效应来测试他们的方法。正常的 Cotton-Mouton 效应是在横向磁场产生双折射时发生的,它可以将线性偏振的光改变为具有椭圆偏振。在这个实验中,科学家们做了相反的事情,用不同偏振的光来创造微小的受控局部磁场。

(NV) 金刚石中的颜色中心。碳原子用黄色表示,氮(N)原子用蓝色表示,空位(V)用白色表示。NV 电子自旋由黑色粗箭头表示。为了清楚起见,属于 NV 中心的碳原子用粉红色描述。(b)ICME(或逆 Voigt 效应)的示意图。在左侧,圆偏振泵浦光通过 IFE 产生一个直流磁场 HIFE。HIFE 反过来又诱导出一个相干的内燃机旋转组合。在右侧,由于磁场 MNV 的垂直分量,线性偏振泵光可以产生ICME,这是由 NV 自旋的相干集合产生的。

“通过非线性光磁量子传感,将有可能以高空间和时间分辨率测量先进材料中的局部磁场,或自旋电流。”高级作者 Muneaki Hase 和他的同事 Toshu An 在日本高级科学技术研究所说。该团队希望这项工作将有助于实现量子自旋电子计算机,该计算机对自旋状态敏感,而不是像目前的计算机那样只对电荷敏感。这项研究还可能促成新的实验,以观察磁场的动态变化,甚至可能是现实设备操作条件下的单一自旋。

用于学习分子激发光谱的图神经网络

by Kanishka Singh, Jannes Münchmeyer, Leon Weber, Ulf Leser, Annika Bande in Journal of Chemical Theory and Computation

用传统的方法,计算较大分子的光谱指纹是非常耗时的。但这是正确解释实验获得的数据的先决条件。现在,HZB 的一个团队利用自我学习的图形神经网络,在显著减少的时间内取得了非常好的结果。

“大分子和量子点通常由数千个原子组成,很难用传统的方法(如DFT)提前计算。”HZB 的 Annika Bande 博士说。她和她的团队现在已经研究了如何通过使用人工智能的方法来缩短计算时间。

想法是:一个来自“图神经网络”或 GNN 组的计算机程序接收小分子作为输入,任务是确定它们的光谱反应。在下一步,GNN 程序将计算的光谱与已知的目标光谱(DFT或实验)进行比较,并相应地纠正计算路径。一轮又一轮,结果变得更好。因此,GNN 程序自己学会了如何在已知光谱的帮助下可靠地计算光谱。

“我们已经训练了五个较新的 GNN,并发现其中的一个,即 SchNet 模型,可以实现巨大的改进。准确率提高了20%,而这是在极短的计算时间内完成的。”第一作者 Kanishka Singh 说。Singh 参加了 HEIBRiDS 研究生院,并由两位不同背景的专家指导——柏林洪堡大学(Humboldt University)的计算机科学专家 Ulf Leser 教授和理论化学家 Annika Bande。

本研究中使用的典型 GNN 模型需要将分子结构转换为带有嵌入的图(a)作为输入。来自数据集的分子图经历了几个信息传递周期,以产生图层嵌入(b),其中一个信息传递层详见面板(с)。

“最近开发的GNN框架可以做得更好,”她说,“而且需求非常大。因此,我们希望加强这一研究方向,并计划从夏季开始为其设立一个新的博士后职位,作为 Helmholtz 项目‘eXplainable Artificial Intelligence for X-ray Absorption Spectroscopy’的一部分。”

电子显微镜下声子动态的纳米级成像

by Chaitanya A. Gadre, Xingxu Yan, Qichen Song, Jie Li, Lei Gu, Huaixun Huyan, Toshihiro Aoki, Sheng-Wei Lee, Gang Chen, Ruqian Wu, Xiaoqing Pan in Nature

随着电子、热电和计算机技术被微型化到纳米级,工程师们在研究相关材料的基本属性时面临着挑战;在许多情况下,目标太小,无法用光学仪器观察。

加州大学欧文分校(UCI)、麻省理工学院(MIT)和其他机构的一个研究小组利用最先进的电子显微镜和新技术,找到了一种以原子分辨率绘制声子——晶体格中的振动——的方法,从而能够更深入地了解热量在量子点——电子元件中的工程纳米结构中的传播方式。

为了研究声子如何被晶体中的缺陷和界面散射,研究人员使用透射电子显微镜中的振动电子能量损失光谱探测了硅锗单量子点附近的声子动态行为,该设备位于UCI校园内的欧文材料研究所(IMRI)。

SiGe QD 和 Si-SiGe 界面的原子结构和振动光谱。

"我们开发了一种新颖的技术,以原子分辨率不同地映射声子动量,这使我们能够观察到只存在于界面附近的非平衡声子,"共同作者、UCI 材料科学与工程和物理学教授、Henry Samueli 捐赠工程学首席以及 IMRI 主任 Xiaoqing Pan 说。“这项工作标志着该领域的一个重大进展,因为这是我们第一次能够提供直接证据,证明扩散性反射和镜面反射之间的相互作用在很大程度上取决于详细的原子结构。”

据 Pan 说,在原子尺度上,热量在固体材料中的传输是随着热量远离热源而从其平衡位置移开的原子波。在拥有有序原子结构的晶体中,这些波被称为声子:原子位移的波包,携带的热能与它们的振动频率相等。

利用硅和锗的合金,研究小组能够研究声子在量子点的无序环境中,在量子点和周围硅的界面中,以及在量子点纳米结构本身的圆顶形表面周围如何表现。

“我们发现,硅锗合金呈现出一种成分无序的结构,阻碍了声子的有效传播,”潘说,“由于硅原子在各自的纯结构中比锗原子更接近,合金将硅原子拉长了一些。因为这种应变,UCI 团队发现,由于在纳米结构内设计的应变和合金效应,声子在量子点中被软化。”

渐变和突变界面附近的 Si OM 的不对称光谱强度。

Pan 补充说,软化的声子具有更少的能量,这意味着每个声子携带的热量更少,因此降低了热传导性。振动的软化是热电设备如何阻碍热量流动的众多机制之一的背后。

该项目的关键成果之一是开发了一种新技术,用于绘制材料中热载体的方向。“这类似于计算有多少声子在上升或下降,并取其差值,表明其主要的传播方向。”他说,“这种技术使我们能够绘制来自界面的声子反射图。”

电子工程师已经成功地将电子学中的结构和元件小型化,以至于它们现在已经缩小到十亿分之一米的数量级,比可见光的波长小得多,因此这些结构对于光学技术来说是看不见的。

声子动量归一到渐变和突变的QD界面的动量分辨 DPM 图。

“纳米工程的进展已经超过了电子显微镜和光谱学的进展,但是通过这项研究,我们正在开始追赶的过程。”共同作者、UCI Pan的小组的研究生 Chaitanya Gadre 说。

一个可能从这项研究中受益的领域是热电--将热量转化为电能的材料系统。“热电技术的开发者努力设计阻碍热传输或促进电荷流动的材料,而关于热量如何通过固体传输的原子级知识将有助于这一探索,”共同作者、UCI 物理学和天文学教授 Ruqian Wu 说。

“人类活动产生的70%以上的能量是热能,因此我们必须找到一种方法将其回收为可用的形式,最好是用电来满足人类日益增长的能源需求。”Pan说。

环形谐振器中的相干态相比任何量子探针单通吸收估计策略的优势

by Alexandre Belsley, Euan J. Allen, Animesh Datta, Jonathan C. F. Matthews in Physical Review Letters

传感器是我们日常生活中的一个持续特征。尽管它们经常被忽视,但传感器提供了对现代医疗、安全和环境监测至关重要的信息。仅仅是现代汽车就包含100多个传感器,而且这个数字只会增加。

量子传感将彻底改变今天的传感器,大大提升它们所能达到的性能。对物理量进行更精确、更快速和更可靠的测量可以对科学和技术的每一个领域,包括我们的日常生活产生变革性的影响。然而,大多数量子传感方案都依赖于难以产生和检测的特殊纠缠或挤压的光或物质状态。这是充分利用量子传感器的优势并将其部署在真实世界场景中的一个主要障碍。

全通环形共振器具有自耦合系数 r、往返相位 j 和衰减 a。我们试图估计渐耦合(evanescently coupled)到环形共振器上的分析物的吸收系数 αA 或折射率 nA。

在一篇论文中,布里斯托尔大学、巴斯大学和沃里克大学(Universities of Bristol, Bath and Warwick)的一个物理学家团队表明,有可能对重要的物理特性进行高精度的测量,而不需要复杂的光量子态和检测方案。

这一突破的关键是使用环形谐振器——在一个循环中引导光线并使其与所研究的样品的相互作用最大化的微小赛道结构。重要的是,环形谐振器可以使用与我们的计算机和智能手机中的芯片相同的工艺进行大规模制造。

由相干态探测的全通环形共振器(蓝色)的标准偏差 ΔαA 归一化为平均输入光子数,由福克态(Fock state)探测的单通(SP)策略(紫色)和相干态探测的 SP(绿色)可达到的量子极限。对于这两种 SP 策略,随着αA的变化,分析物的长度被不断优化。对于目标αA=10 cm-1,全通环形共振器是关键性的耦合。优化自耦合系数r可进一步提高其性能(蓝色虚线)。

“我们离所有集成光子传感器在量子力学规定的检测极限下运行又近了一步。”量子工程技术实验室(QET实验室)的博士生和这项工作的主要作者 Alex Belsley说。

采用这种技术来感应吸收或折射率的变化,可用于识别和表征广泛的材料和生化样品,从监测温室气体到癌症检测,都是热门应用。

QET 实验室的联合主任和这项工作的共同作者,Jonathan Matthews 副教授表示。“我们对这一成果带来的机会感到非常兴奋:我们现在知道如何使用大规模制造工艺来设计在量子极限下工作的芯片级光子传感器。”

超相干机电系统的基态冷却

by Yannick Seis, Thibault Capelle, Eric Langman, Sampo Saarinen, Eric Planz, Albert Schliesser in Nature Communications

哥本哈根大学 Niels Bohr 研究所的研究人员极大地改善了先前开发的量子膜的相干时间。这一改进将扩大该膜在各种不同用途上的可用性。由于相干时间为100毫秒,该膜可以储存敏感的量子信息,以便在量子计算机或网络中进一步处理。

作为第一步,该研究小组已将该膜与一个超导微波电路结合起来,从而实现了从该膜的精确读数。也就是说,它已经成为“插入式”,这几乎是任何应用的要求。通过这一发展,该膜可以连接到其他各种处理或传输量子信息的设备上。

机电系统。

由于环境的温度决定了干扰膜的随机力水平,因此必须达到足够低的温度,以防止运动的量子状态被冲掉。研究人员通过一个基于氦气的冰箱来实现这一目标。在微波电路的帮助下,他们就可以控制膜运动的量子状态。在他们最近的工作中,研究人员可以在量子基态下制备膜,这意味着其运动由量子波动主导。量子基态对应的有效温度比绝对零度高0,005度,即-273.15℃。

人们可以使用这个系统的一个稍加修改的版本,它可以感受到来自微波和光学信号的力,从而建立一个从微波到光学的量子转换器。量子信息可以在室温下在光纤中传输数公里而不产生扰动。另一方面,信息通常在一个冷却装置内处理,能够达到足够低的温度,使像膜这样的超导电路能够运行。因此,将这两个系统(超导电路和光纤)连接起来,就可以实现量子互联网的构建:用光纤将几个量子计算机连接在一起。没有计算机有无限的空间,因此,将计算能力分配给相连的量子计算机的可能性,将大大增强解决复杂问题的能力。

引力在量子体系中的作用是物理学中一个尚未回答的基本问题。这是这里展示的膜的高相干时间可能被应用于研究的另一个地方。这个领域的一个假设是,重力有可能随着时间的推移破坏一些量子态。有了像膜这样大的装置,这样的假说在未来可能能被测试。

双黑洞旋近中玻色子云的尖锐信号

by Daniel Baumann, Gianfranco Bertone, John Stout, Giovanni Maria Tomaselli in Physical Review Letters

超轻粒子云可以在旋转的黑洞周围形成。来自阿姆斯特丹大学(UvA)和哈佛大学的一个物理学家小组现在表明,这些云会在双体黑洞发出的引力波上留下一个特征性的印记。

人们普遍认为黑洞会吞噬它们周围所有形式的物质和能量。然而,人们早就知道,它们也可以通过一个被称为超辐射的过程来甩掉它们的一些质量。虽然这种现象已知会发生,但它只有在自然界中存在新的、迄今未被观测到的质量非常低的粒子时才有效,正如粒子物理学标准模型之外的几个理论所预测的那样。

赤道双星旋近的引力原子示意图。质量为 M∗ 的同伴的位置可以用两个黑洞之间的距离 R∗ 和极角 φ∗ 来描述。

当质量通过超辐射从黑洞中提取出来时,它在黑洞周围形成一个大的云,形成所谓的引力原子。尽管引力原子的尺寸大得惊人,但与亚微观原子的比较是准确的,因为黑洞及其云与普通原子的熟悉结构相似,电子云围绕着质子和中子的核心。

在一份出版物中,由 UvA 物理学家 Daniel Baumann、Gianfranco Bertone 和 Giovanni Maria Tomaselli 以及哈佛大学物理学家 John Stout 组成的团队提出,普通原子和引力原子之间的类比不仅仅是结构上的相似性,而是更深层次的。他们声称,事实上可以利用这种相似性,用即将到来的引力波干涉仪发现新粒子。

在新的工作中,研究人员研究了所谓”光电效应”的引力等价物。在这个众所周知的过程中,例如在太阳能电池中被利用来产生电流,普通电子吸收了入射光粒子的能量,从而被从材料中弹出——原子“电离”了。在引力模拟中,当引力原子是两个重物的双星系统的一部分时,它被大质量同伴的存在所扰动,这个同伴可能是第二个黑洞或一个中子星。就像光电效应中的电子吸收入射光线的能量一样,超轻粒子云可以吸收伴星的轨道能量,从而使一些云被从引力原子中喷射出来。

GW频率的演化作为合并时间 t−tm 的函数,在 M=104 M⊙ 和 α=0.2,初始值为 R∗=400 M,q=10-3,Mc/M=0.001 的状态下。所显示的是相对于真空方案(黑线)而言,向心(蓝线)和反转(橙线)轨道的结果。

研究小组证明,这一过程可能会极大地改变这种双星系统的演化,大大减少组件相互合并所需的时间。此外,引力原子的电离在双体黑洞之间非常具体的距离上得到加强,这导致我们从这种合并中探测到的引力波具有鲜明的特征。未来的引力波干涉仪——类似于 LIGO 和 Virgo 探测器的机器,在过去几年向我们展示了第一批来自黑洞的引力波——可以观察到这些效应。从引力原子中找到预测的特征将为新的超轻粒子的存在提供独特的证据。

扫描电子显微镜中的量子相干光—电子相互作用

by R. Shiloh, T. Chlouba, P. Hommelhoff in Physical Review Letters

FAU 大学的物理学家设计了一个框架,使科学家们能够使用传统的扫描电子显微镜观察光和电子之间的相互作用。该工艺比迄今为止使用的技术要便宜得多,而且还能进行更广泛的实验。

量子计算机只是一个例子,说明对光子和电子之间相互作用的基本过程的理解是多么重要。与超短激光脉冲相结合,可以测量光子如何改变电子的能量和速度。这种光子诱导电子显微镜(PINEM)直到现在还完全依赖于透射电子显微镜(TEM)。尽管这些显微镜具有准确定位单个原子的分辨率,但是它们比扫描电子显微镜(SEM)要昂贵得多,而且它们的样品室非常小,只有几立方毫米大小。

超快SEM中的量子相干电子—光耦合。由紫外激光脉冲(紫色)光发射的电子在商用扫描电镜的柱子上传播。电子束(绿色)被聚焦到钨针尖(插图)附近,在那里它与由1030纳米激光脉冲激发的光学近场相互作用,通过 SEM 样品室的 CF-100 窗口耦合到SEM中。非球面聚焦透镜(未显示)距离针尖25毫米,在腔体内部。电子光谱是用一个自制的基于 Omega 滤光片的紧凑型双级磁扇电子光谱仪记录的,放在SEM内。光谱仪的色散面被成像到一个微通道板探测器上,其荧光屏从真空室外用CMOS相机进行光学记录。一个例子的图像(右下角插图),其中单个电子计数(黑点)和光子顺序(垂直虚线)可以很容易被眼睛看到。PINEM 光谱是通过对相机图像进行垂直积分得到的[38]。非相干平均的实验光谱(黑色),与原始的、分档的数据(蓝色),显示了24个PINEM阶数,每边12个,是我们观察到的最大值。

Peter Hommelhoff 教授的激光物理学教席的研究人员现在已经成功地改造了传统的 SEM,以进行 PINEM 实验。他们设计了一个基于磁力的特殊光谱仪,直接集成到显微镜中。其基本原理是,磁场会根据电子的速度,或多或少地转移电子。使用一个将电子碰撞转化为光的检测器,可以准确地读出这种偏离。这种方法使研究人员能够测量甚至是最小的能量变化,最多只有原始值的几十万分之一的差异——足以区分一个光能量子,也就是光子的贡献。

Erlangen 物理学家的发现在多个方面具有开拓性。从财务角度来看,能够在不使用花费几百万欧元的 TEM 的情况下研究光—电子相互作用,可以使研究更加容易。此外,由于扫描电镜的腔体通常有20立方厘米的体积,现在可以进行更广泛的实验,因为额外的光学和电子元件,如透镜、棱镜和镜子可以直接放在样品旁边。研究人员预计,在几年后,整个微观量子实验领域将从 TEM 转向 SEM。

MISC(更多)

“新发表于《量子》,一个独立于设备的XOR不经意传输协议。”

“在Q2B 2021,我们的首席执行官 Ilyas Khan 和总裁兼首席运营官 Tony Uttley 谈到了我们如何利用量子计算的力量来解决不断发展的问题。”

https://twitter.com/QuantinuumQC/status/1536440787403259909?ref_src=twsrc%5Etfw%7Ctwcamp%5Etweetembed%7Ctwterm%5E1536440787403259909%7Ctwgr%5E%7Ctwcon%5Es1_&ref_url=https%3A%2F%2Fcdn.embedly.com%2Fwidgets%2Fmedia.html%3Ftype%3Dtext2Fhtmlkey%3Da19fcc184b9711e1b4764040d3dc5c07schema%3Dtwitterurl%3Dhttps3A%2F%2Ftwitter.com%2Fquantinuumqc%2Fstatus%2F1536440787403259909image%3Dhttps3A%2F%2Fi.embed.ly%2F1%2Fimage3Furl3Dhttps253A252F252Fabs.twimg.com252Ferrors252Flogo46x38.png26key3Da19fcc184b9711e1b4764040d3dc5c07

参考链接:

1.《量子计算市场与COVID-19的影响,按提供(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》:

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.具有可调谐相互作用的一维费米气体(Fermi gas)中的自旋电荷分离:

https://www.science.org/doi/10.1126/science.abn1719

4.适合初学者的量子算法实现:

https://arxiv.org/abs/1804.03719

5.巴克桑惰性转化实验(BEST)的结果:

https://journals.aps.org/prl/accepted/8107bYfcW6b1d473058481b72a951b920fa92c96d

6.金刚石晶体中氮空穴中心引起的超快光磁效应:https://aip.scitation.org/doi/10.1063/5.0081507

7.用于学习分子激发光谱的图神经网络:

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.jctc.2c00255

8.电子显微镜下声子动态的纳米级成像:

https://www.nature.com/articles/s41586-022-04736-8

9.环形谐振器中的相干态相比任何量子探针单通吸收估计策略的优势:

https://arxiv.org/abs/2112.07557?context=physics

10.超相干机电系统的基态冷却:

https://www.nature.com/articles/s41467-022-29115-9

11.双黑洞旋近中玻色子云的尖锐信号:

http://arxiv.org/abs/2206.01212

12.扫描电子显微镜中的量子相干光—电子相互作用:https://arxiv.org/pdf/2110.00764

13.[38]:

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.128.235301#c38


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