DAOrayaki |研究人员发现了缺失的光子链路,使全硅量子互联网成为可能

一些公司正在关注采用新冠疫情后的 QCaaS。反过来,这将有助于量子计算市场的增长。然而,稳定性和误差修正问题预计将抑制市场的增长。

DAOrayaki |研究人员发现了缺失的光子链路,使全硅量子互联网成为可能

一些公司正在关注采用新冠疫情后的 QCaaS。反过来,这将有助于量子计算市场的增长。然而,稳定性和误差修正问题预计将抑制市场的增长。

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:120 USD

研究种类:Quantum Computing, New Research, Survey

原文作者:   Paradigm

创作者:Skyh@DAOrayaki.org

审核者:Tan Zhi Xuan@DAOrayaki.org

原文:  QT/ Researchers find the missing photonic link to enable an all-silicon quantum internet

  • 研究人员在量子技术的发展上取得了重大突破。他们的研究描述了他们对超过150,000个硅“ T 中心”光子自旋量子比特的观察,这是一个重要的里程碑,为构建大规模可扩展的量子计算机和将它们连接起来的量子互联网开辟了直接的机会。
  • 研究人员通过33公里长的光纤连接将两个量子存储器纠缠在一起,这是一项记录,也是迈向量子互联网的重要一步。
  • 物理学家发明了一种“量子长笛”,它可以像魔笛手一样,以一种前所未见的方式迫使光粒子一起移动。
  • 物理学家现在已经观察到了电子漩涡。理论家们早就预测电子应该表现出流体流动的这一特征; 这一发现可以为更高效的电子设计提供参考。
  • 研究人员报告了光纤集成量子存储器和电信波长光子之间纠缠的证明。
  • 物理学家已经建立了第一个一维氦基模型系统,用于推进研究,应用于制造更小的微芯片。
  • 研究人员已经建立了一个模型来描述超流体中类似龙卷风的涡流管的传播和速度。这项工作扩展了之前的一项研究,该研究报告了在狭窄的温度范围内在超流体氦-4中获得的实验结果。
  • 通过模拟生命系统的特征,自组织激光器可以产生用于传感、计算、光源和显示的新材料。
  • 研究人员已经表明,量子激发技术可以用来执行激光雷达成像,其深度分辨率比传统方法要高很多。激光雷达利用激光脉冲获取场景或物体的三维信息,由于其深度分辨率有限,通常最适合对大型物体(如地形特征或建筑结构)成像。
  • 研究人员改进了一种广泛应用的高性能计算集群仿真方法。
  • 还有更多

量子计算市场

根据 MarketsandMarkets 最近发布的市场研究报告《受提供(系统和服务)、部署(基于场所和云计算)、应用、技术、最终用途行业和地区的2019冠状病毒疾病影响的量子计算市场ーー到2026年的全球预测》 ,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,复合年增长率为30.2% 。量子计算在银行和金融部门的早期应用预计将推动全球市场的增长。促进量子计算市场增长的其他关键因素包括不同国家政府对开展与量子计算技术有关的研究和开发活动的投资不断增加。一些公司正在关注采用新冠疫情后的 QCaaS。反过来,这将有助于量子计算市场的增长。然而,稳定性和误差修正问题预计将抑制市场的增长。

根据《量子计算市场研究报告: 通过提供、部署类型、应用、技术、行业ーー行业份额、增长、驱动因素、趋势和到2030年的需求预测》报告,量子计算市场预计到2030年将达到649.88亿美元。由于量子计算正在被整合到机器学习中以改善机器学习的用例,因此预计在预测期内,机器学习在所有应用类别中的复合年增长率将达到最高。

最新研究原子基半导体量子点的工程拓扑态

作者: M.Kiczynski,S.K. Gorman,H.Geng,M.B.Donnelly,Y. Chung,Y. H.,J.G.Keizer,M.Y. Simmons in Nature

西门菲莎大学(Simon Fraser University)的研究人员在量子技术的发展上取得了重大突破。他们的研究描述了他们对超过150,000个硅“ T 中心”光子自旋量子比特的观察,这是一个重要的里程碑,为构建大规模可扩展的量子计算机和将它们连接起来的量子互联网开辟了直接的机会。

量子计算具有巨大的潜力,可以提供远远超出当今超级计算机能力的计算能力,这可以促进许多其他领域的进步,包括化学、材料科学、医学和网络安全。为了实现这一目标,有必要生产提供处理能力的稳定、长寿命的量子比特,以及使这些量子比特能够大规模连接在一起的通信技术。

SSH 模型在硅基精密工程施磷体中的实现。

过去的研究表明,硅可以生产工业中一些最稳定、寿命最长的量子位。现在,Daniel Higginbottom,Alex Kurkjian 及其合著者发表的研究成果证明了 T 中心(硅中一种特殊的发光缺陷)可以在量子比特之间提供一种“光子链接”。这项研究来自 SFU 物理系的硅量子技术实验室,该实验室由加拿大硅量子技术研究主席斯蒂芬妮 · 西蒙斯和名誉教授迈克尔 · 特沃尔特共同领导。

斯蒂芬妮 · 西蒙斯说: “这项工作是第一次测量单个 T 中心的树脂隔离,实际上,也是第一次仅用光学测量来测量硅中的任何单个自旋。”

西蒙斯说: “像 T 中心这样结合了高性能自旋量子位和光学光子产生的发射器是制造可扩展的分布式量子计算机的理想选择,因为它们可以同时处理处理和通信,而不需要接口两种不同的量子技术,一种用于处理,一种用于通信。”

精密工程量子点阵 SSH 模型的实验特征。

此外,T 中心的优势在于发出的光波长与当今城市光纤通信和电信网络设备使用的波长相同。

西蒙斯说: “有了 T 中心,你就可以构建与其他处理器本质上相通的量子处理器。”。“当你的硅量子位可以通过在数据中心和光纤网络中使用的同一波段发射光子(光)来进行通信时,你就可以通过连接量子计算所需的数百万个量子位而获得同样的好处。”

利用硅开发量子技术为快速扩展量子计算提供了机会。全球半导体产业已经能够以低成本大规模制造硅计算机芯片,其精确度令人震惊。这项技术构成了现代计算和网络的支柱,从智能手机到世界上最强大的超级计算机。

西蒙斯说: “通过找到在硅片上创建量子计算处理器的方法,你可以利用多年来用于制造传统计算机的发展、知识和基础设施,而不是为量子制造创建一个全新的产业。”“在量子计算机的国际竞争中,这代表着一种几乎不可逾越的竞争优势。”

纠缠单个原子超过33公里的电信光纤

作者: Tim van Leent,Matthias Bock,Florian Fertig,Robert Garthoff,Sebastian Eppell,Yiru Zhou,Pooja Malik,Matthias Seubert,Tobias Bauer,WenjaminRosenfeld,Wei Zhang,Christoph Becher,Harald Weinfurter in Nature

来自伦敦大学和沙尔大学的研究人员通过一条33公里长的光纤连接,将两个量子存储器纠缠在一起。这是一项记录,也是迈向量子互联网的重要一步。

一个数据传输完全可以抵御黑客攻击的网络?如果物理学家有他们的方法,这将成为现实的一天在量子力学现象的帮助下称为纠缠。对于纠缠态粒子,规则是: 如果你测量其中一个粒子的状态,那么你自动知道另一个粒子的状态。纠缠态粒子彼此之间的距离并没有什么不同。这是远距离传输信息的理想状态,其方式使得窃听成为不可能。

实验装置示意图

由伦敦大学物理学家哈拉尔德 · 温福特教授(Prof. Harald Weinfurter)和克里斯托弗 · 贝歇尔教(Prof. Christoph Becher)授领导的一个研究小组,现已在33公里长的光纤连接上耦合了两个原子量子存储器。这是迄今为止最长的距离,任何人都管理通过电信光纤纠缠。量子力学纠缠是通过两个量子存储器发射的光子介导的。一个决定性的步骤是研究人员将发射光粒子的波长改变为一个用于传统通信的值。Weinfurter说:“通过这样做,我们能够显著减少光子的损失,并创建纠缠量子记忆,即使在长距离的光纤电缆。”

一般来说,量子网络由单个量子记忆的节点组成,例如原子、离子或晶格中的缺陷。这些节点能够接收、存储和传输量子态。节点之间的中介可以通过使用光粒子来完成,这些光粒子可以在空气中交换,也可以通过光纤连接以目标方式交换。在他们的实验中,研究人员在 LMU 校园的两个实验室中使用了一个由两个光学捕获铷原子组成的系统。这两个地点通过一条700米长的光纤电缆连接起来,这条光纤电缆在大学主楼前的朔尔兄妹广场下面。通过在线圈上增加额外的纤维,可以实现长达33公里的连接。

Observation of heralded atom–atom entanglement generated over long fibre links.长纤维链上预兆原子-原子纠缠的观测。

激光脉冲激发原子,然后原子自发地回到基态,每个原子发射一个光子。由于角动量守恒定律,原子的自旋与其发射的光子的偏振纠缠在一起。然后这些轻粒子可以用来创建两个原子的量子力学耦合。为了做到这一点,科学家们将它们通过光纤电缆发送到接收站,在那里对光子的联合测量表明了量子存储器的纠缠。

然而,大多数量子存储器发射的光波波长在可见光或近红外线范围内。克里斯托弗 · 贝歇尔(Christoph Becher)解释说: “在光纤中,这些光子在消失之前只能传播几公里。”出于这个原因,来自 Saarbrücken 的物理学家和他的团队优化了光子在电缆中传输的波长。使用两个量子频率转换器,他们将原来的波长从780纳米增加到1,517纳米。贝歇尔说:“这接近所谓的1550纳米左右的电信波长。”通信频段是光在光纤中传输损耗最小的频率范围。贝歇尔的团队以前所未有的57% 的效率完成了转换。同时,他们成功地保持了存储在光子中的信息的高质量,这是量子耦合的一个条件。

该论文的第一作者蒂姆•范莱恩特(Tim van Leent)表示:“我们实验的意义在于,我们实际上将两个静止的粒子缠绕在一起,也就是说,起量子记忆作用的原子。这比纠缠光子困难得多,但它开辟了更多的应用可能性。”研究人员认为,他们开发的系统可用于构建大规模量子网络和实现安全的量子通信协议。Harald Weinfurter 说: “这项实验是通往基于现有光纤基础设施的量子互联网的重要一步。”

多模光子封锁

作者: Srivatsan Chakram,Kevin He,Akash V. Dixit,Andrew E. Oriani,Ravi K. Naik,Nelson Leung,Hyeokshin Kwon,Wen-Long Ma,Liang Jiang,David I. Schuster

芝加哥大学的物理学家们发明了一种“量子长笛”,它可以像魔笛手一样迫使光粒子以前所未见的方式一起运动。

这一突破可能为实现量子记忆或量子计算机中新形式的纠错指明了方向,并观察到自然界中无法看到的量子现象。大卫 · 舒斯特(David Schuster)教授的实验室致力于量子比特的研究,量子比特相当于计算机比特,它利用粒子在原子和亚原子层面的奇怪特性来完成一些本来不可能的事情。在这个实验中,他们研究的是微波光谱中的光粒子,也就是光子。他们设计的系统由一块金属制成的长腔组成,设计用来在微波频率下捕获光子。这个空腔是通过钻偏移孔制成的,就像长笛上的孔一样。

舒斯特(Schuster)说:“就像在乐器中一样,你可以发送一个或几个波长的光子穿过整个物体,每个波长产生一个‘音符’,可以用来编码量子信息。”然后,研究人员可以使用一个主量子位(一种超导电路)来控制“音符”的相互作用。但是他们最奇怪的发现是光子在一起的运动方式。

在自然界中,光子几乎不发生相互作用,它们也就只是彼此穿过。经过精心准备,科学家有时可以促使两个光子对彼此的存在作出反应。

舒斯特尔(Schuster)说: “在这里,我们做了一些更奇怪的事情。起初光子根本不相互作用,但当系统中的总能量达到一个临界点时,突然之间,它们都在彼此交谈。”

在实验室实验中,有这么多光子“交谈”是非常奇怪的,就像看到一只猫用后腿走路一样。

舒斯特说:“通常,大多数粒子间的相互作用是一对一的,也就是两个粒子相互反弹或相互吸引。如果你加上第三个,它们通常仍然会按顺序与其中一个或另一个进行交互。但这个系统让它们同时相互作用。”

他们的实验一次只测试五个“音符”,但是科学家们最终可以想象通过一个量子位运行数百或数千个音符来控制它们。对于像量子计算机一样复杂的操作,工程师们希望尽可能地简化任何地方,舒斯特说: “如果你想建造一台1000位的量子计算机,并且你可以通过一个位控制所有这些位,那将是非常有价值的。”研究人员也对这种行为本身感到兴奋。没有人在自然界中观察到过类似这样的相互作用,因此研究人员也希望这一发现能够有助于模拟地球上甚至看不到的复杂物理现象,甚至可能包括一些黑洞的物理现象。除此之外,这些实验都很有趣。

“通常情况下,量子相互作用发生在长度和时间尺度太小或太快而看不见的时候。在我们的系统中,我们可以测量任何音符中的单个光子,并观察相互作用的效果。用你的眼睛‘观察’量子相互作用真的很棒,”芝加哥大学的博士后 Srivatsan Chakram 说,他是这篇论文的第一作者,现在是罗格斯大学的助理教授。

电子流体中涡旋的直接观测

作者: A。Aharon-Steinberg,T。Völkl,A。Kaplan,A。Pariari,I。Roy,T。Holder,Y。Wolf,A。Meltzer,Y。Myasoedov,M。Huber,B。Yan,G。Falkovich,L。Levitov,M。Hücker,E。Zeldov in Nature

尽管水分子是离散的粒子,但它们以液体的形式集体流动,产生溪流、波浪、漩涡和其他经典的流体现象。

但电就不一样了。虽然电流也是由不同的粒子构成(在本例中是电子),但这些粒子非常小,以至于当电子穿过普通金属时,它们之间的任何集体行为都会被较大的影响所淹没。但是,在特定的材料和特定的条件下,这种效应会逐渐消失,电子之间会产生直接的相互影响。在这些情况下,电子可以像流体一样集体流动。现在,麻省理工学院和魏茨曼科学研究所的物理学家们已经观察到电子在漩涡中流动,也就是理论学家们预测电子会表现出来的流体流动的标志,但是直到现在才被发现。列维托夫是这篇新论文的合著者,以及以色列科学魏茨曼科学研究所和丹佛科罗拉多大学博尔德分校的伊莱 · 泽尔多夫和其他人。

麻省理工学院(MIT)物理学教授列昂尼德•列维托夫(Leonid Levitov)表示: “理论上预计会出现电子涡旋,但没有直接证据,眼见为实。现在我们已经看到了,这是一个明显的迹象,表明我们处在一个新的体系中,在这个体系中,电子的行为是流体,而不是单个粒子。”

列维托夫说:“我们知道,当电子处于流体状态时,(能量)耗散就会下降,这对于设计低功耗设计是很有意义的。这一新发现是朝着这个方向迈出的又一步。”

块状 wte2单晶的输运角色塑造。

当电流通过大多数普通金属和半导体时,电流中电子的动量和运动轨迹受到材料中杂质和材料原子间振动的影响。这些过程控制着普通材料中的电子行为。但是理论家们预测,在缺乏这种普通的经典过程的情况下,量子效应应该会取而代之。也就是说,电子应该能够捕捉到彼此微妙的量子行为,并作为一种粘性的、蜂蜜状的电子流体共同移动。这种类似液体的行为应该出现在超净材料和接近零度的温度下。

2017年,莱维托夫(Levitov)和他在曼彻斯特大学(University of Manchester)的同事们报告了石墨烯中类似流体的电子行为的特征,石墨烯是一种原子级薄碳片,他们在上面蚀刻了一个带有几个夹点的细通道。他们观察到,通过通道发送的电流可以在几乎没有阻力的情况下通过收缩。这表明电流中的电子能够像流体一样集体挤压穿过夹点,而不是像沙粒一样堵塞。

这第一个迹象促使列维托夫(Levitov)探索其他电子流体现象。在这项新的研究中,他和他的同事们在《科学》杂志的魏茨曼科学研究所中观察电子涡旋的可视化。正如他们在论文中所写的那样:“尽管有大量的理论预测,但是电子流体中还没有观察到规则流体流动中最引人注目和无处不在的特征,即涡流和湍流的形成。”

重构电流密度与假定 SOT 扫描高度的关系。

为了使电子涡旋可视化,研究小组研究了二碲化钨(WTe2) ,一种超净金属化合物,已经发现它在单原子、薄原子、二维形式下具有奇异的电子特性。

莱维托夫(Levitov)说:“二碲化钨(Tungsten)是一种新的量子材料,在这种材料中,电子具有强相互作用,表现为量子波而不是粒子。”此外,这种材料非常干净,因此可以直接接触到类似液体的行为

研究人员合成了纯的二碲化钨单晶体,并剥离了这种材料的薄片。然后,他们使用电子束光刻和等离子体蚀刻技术,将每一片刻划成一个中心通道,连接到两侧的圆形腔室。他们把同样的图案蚀刻在金片上,而这是一种标准金属,并具有普通、经典的电子特性。然后,他们在4.5开尔文(大约 -450华氏度)的超低温下,让电流通过每个图案化的样品,并在每个样品的特定点测量电流流动,使用尖端上的纳米级扫描超导量子干涉仪(SQUID)。这个装置是在 Zeldov 的实验室里开发的,它能以极高的精度测量磁场。使用该设备扫描每个样品,研究小组能够详细观察电子如何通过每种材料的图案化通道。

研究人员观察到,电子在金片上流过有图案的通道时没有反向,即使有些电流在与主电流汇合之前通过了每个侧室。相比之下,流经二碲化钨的电子流过通道,旋转进入每个侧室,就像水倒入碗中一样。电子在每个腔室中形成小漩涡,然后再流回主通道。

Levitov 说: “我们观察到气室中的流动方向发生了变化,在气室中的流动方向与中央条形气室的流动方向相反。这是一件非常惊人的事情,它与普通流体中的物理现象相同,但是发生在纳米尺度的电子中。这是电子处于流体状态的明显标志。”

该小组的观察是第一次直接观察到电流中的旋涡。这些发现代表了对电子行为基本性质的实验证实。它们也可能为工程师们提供线索,让他们了解如何设计低功耗的装置,以更流畅、阻力更小的方式导电。

光纤集成系统中光物质纠缠的存储与分析

作者: Jelena V. Rakonjac,Giacomo Corrielli,Dario Lago-Rivera,Alessandro Seri,Margherita Mazzera,Samuele Grandi,Roberto Osellam,Hugues de Riedmatten in Science Advanced

来自 ICFO、 IFN-CNR 和赫瑞瓦特大学的研究人员报告了光纤集成量子存储器和电信波长光子之间纠缠的证明。

量子存储器是未来量子互联网的基石之一。没有它们,量子信息就不可能长距离传输,也不可能扩展成真正的量子网络。这些存储器的任务是接收以量子比特形式编码在光子中的量子信息,存储它,然后检索它。量子存储器可以在不同的材料系统中实现,例如冷原子集合体或掺杂晶体。

为了成为有用的存储器,它们需要满足几个要求,如存储能力的效率、持续时间和多路复用,以确保它们所支持的量子通信的质量。另一个已经成为一个相当重要的研究课题的要求是设计可以直接集成到光纤网络中的量子存储器。

Pr3+:Y2SiO5.实验装置。(A)纤维辫波导的图片。亮线是 Pr 离子发出的荧光,被耦合到波导中的607nm 光激发。(B)设置的示意图。纠缠光子对是在腔增强自发参量下转换(SPDC)光源中产生的。怠速器和信号由二向色反射镜(DM)分离,后者耦合到单模光纤,单模光纤直接粘合到放置在低温恒温器中的 Pr3 + : Y2SiO5晶体中的波导上。在存储器中制备了可变存储时间的 AFC。使用两个基于光纤的非平衡马赫-曾德尔干涉仪分析了纠缠态,其中一个用于信号光子直接连接到波导。单光子探测器。信号光子使用硅光电二极管检测,而超导探测器用于闲置光子。(c) Pr3 + : Y2SiO5的等级制度。

近年来,随着量子技术的蓬勃发展,已经有很多工作面向提高现有量子存储器的可伸缩性(使其更小和/或更简单的设备) ,以促进它们在实际工作网络中的集成和部署。这样一个完全集成的方法带来了几个物理和工程上的障碍,包括找到一个解决方案,保持良好的相干特性,提供一个有效和稳定的系统,将光子从光纤传输到量子存储器,以及量子存储器控制系统的小型化及其与入射光的接口。所有这些都应该在达到与“标准”批量版本的设备相同的性能水平时执行。到目前为止,这已被证明是具有挑战性的,目前光纤集成量子存储器的实现远远不能达到大容量存储器的水平。

有了这些明确的目标,ICFO 的研究人员 Jelena Rakonjac,Dario lago-Rivera,Alessandro Seri 和 Samuele Grandi,由 ICFO Hugues de Riedmatten 的 ICREA 教授领导,与 IFN-CNR 的 Giacomo Corrielli 和 Roberto osellam 以及来自赫瑞瓦特大学的 Margherita Mazzera 合作,已经能够证明光纤集成量子存储器和电信波长光子之间的纠缠。

纠缠态断层扫描。(A)输入状态的重构密度矩阵,其中信号光子通过存储晶体中的透明窗口。数据采集时间为30分钟。(B 和 C)密度矩阵的回波反演 AFC 的存储时间分别为3和10μs。数据采集分别在120分钟和130分钟内完成。只报告了矩阵的实部。

在他们的实验中,研究小组使用掺有镨的晶体作为量子存储器。然后在存储器内用激光写入一个波导。这是晶体内部的一个微米尺度的管道,它将光子限制在一个狭小的空间内并引导光子。然后将两个相同的光纤连接到晶体的两侧,在携带量子信息的光子和存储器之间提供一个直接接口。这个实验装置使量子存储器和光子源之间实现了全光纤连接。

为了证明这种集成量子存储器可以存储纠缠,研究小组使用了一个纠缠光子对的光源,其中一个光子与存储器兼容,而另一个光子处于通信波长。利用这种新型的结构,他们能够存储2μs 到28μs 的光子,并且在存储后能够保持光子对的纠缠。这个结果是一个重大的改进,因为团队所显示的纠缠存储时间比以前使用的任何其他光纤集成设备都要长1000倍(3数量级) ,而且性能接近大容量量子存储器所观察到的性能。之所以能够做到这一点,是因为该装置具有完全集成的性质,使得使用的控制系统比以前认识到的更加复杂。最后,由于纠缠是存储在量子存储器中的可见光子与存储在电信波长的可见光子之间共享的,该团队还证明了该系统与电信基础设施完全兼容,适用于远距离量子通信。

这种类型的集成量子存储器的演示开辟了许多新的可能性,特别是关于多路复用,可扩展性和进一步的集成。正如 Jelena Rakonjac 强调的那样:“这个实验给了我们很大的希望,因为我们设想可以在一个晶体中制造出许多波导,这将允许许多光子同时存储在一个小区域中,并最大限度地发挥量子存储器的性能。由于该设备已经是光纤耦合的,它也可以更容易地与其他基于光纤的组件接口。”

Hugues de Riedmatten 总结说: “我们对这个结果感到非常激动,它为光纤集成存储器打开了许多可能性。显而易见的是,这种特殊的材料和制造波导的方法使我们能够实现接近大容量存储器的性能。在未来,将存储扩展到自旋状态将允许按需回收存储的光子,并导致我们一直以来的目标是长期存储时间。这种光纤集成的量子存储器无疑显示出未来在量子网络中使用的巨大前景。”

一维氦的实验实现

作者: Adrian Del Maestro,Nathan S。Nichols,Timothy R。Prisk,Garfield Warren,Paul E。Sokol in Nature Communications

印第安纳大学和田纳西大学的物理学家已经破解了使微芯片更小的密码,而其关键是氦。

微芯片无处不在,运行电脑和汽车,甚至帮助人们寻找丢失的宠物。随着微芯片变得越来越小,越来越快,能够做更多的事情,导电的导线也必须跟着做。但是,它们能变得多小是有物理限制的,除非它们的设计不同。

印第安纳大学布卢明顿艺术与科学学院物理系教授保罗 · 索科尔说: “在传统系统中,当你放置更多的晶体管时,导线就会变得更小。但在新设计的系统下,这就像把电子限制在一维管道中,这种行为与普通导线截然不同。”

为了研究粒子在这种情况下的行为,索科尔与田纳西大学的物理学教授阿德里安 · 德尔 · 马斯特罗(Adrian Del Maestro)合作,创建了一个装入一维管道的电子学模型系统。索科尔说,这对科学家使用氦元素为他们的研究创建了一个模型系统,因为氦元素与电子的相互作用是众所周知的,而且它可以被制造得非常纯净。然而,在一维空间中使用氦气存在一些问题,首先是以前从未有人这样做过。

纳米孔内的吸附与结构

索科尔说:“把它想象成一个礼堂。人们可以以各种不同的方式移动。但是在一个狭长的大厅里,没有人可以超过其他人,所以行为就变得不同了。我们正在探索那种每个人都被限制在一排的行为。使用氦气模型的最大好处是,我们可以从大厅里只有很少的人变成人满为患。我们可以利用这个系统探索整个物理范围,这是其他系统不允许我们做的。”

创建一维氦模型系统也给研究人员提出了许多其他挑战。例如,如果他们试图制造一个足够小的管子来容纳氦,那么测量就太困难了。使用中子散射这样的技术也是不可能的,这是一种强大的方法,包括利用反应堆或加速器产生一束中子来收集关于一维系统中粒子行为的详细信息。另一方面,他们可以利用模板分子周围生长的特殊玻璃制造非常长的管子,但是这些孔不足以将氦限制在一维空间内。

非弹性散射的能量和温度依赖性。

Del Maestro 说:“你真的需要做一个只有几个原子宽的管子。正常的液体不会流过这么窄的管道,因为摩擦力会阻止它流动。”

为了解决这个问题,研究小组通过使用一维通道的玻璃,在玻璃表面镀上氩,制造出一个更小的通道,从而纳米工程化了一种材料。然后,他们可以制作含有大量氦的样本,并支持使用中子散射等技术来获取系统的详细信息。随着一维氦的实验实现,德尔马斯特罗和索科尔为这一研究开辟了一条重要的新途径。

接下来,该团队计划使用这个新的模型系统来研究高密度的氦(可与细丝中的电子相比)和低密度的氦(可与量子信息科学中使用的一维原子阵列相比)。他们还计划开发其他纳米工程材料,例如氦不会湿透铯表面的铯涂层孔。这将进一步减少受限氦与外界的相互作用,并为挑战新理论提供一个更理想的系统。

超量子湍流中量子化涡旋的普适异常扩散

作者: Satoshi Yui,Yuan Tang,Wei Guo,Hiromichi Kobayashi,Makoto Tsubota in Physical Review Letters

由佛罗里达州立大学(Florida State University)研究人员组成的一个国际科学家团队开发了一个模型,可以预测所谓的超流体中涡旋的扩散,这项工作为理解支配超流体中子星等量子流体系统中的湍流提供了新的视角。

在一篇论文中,研究人员创建了一个描述超流体中类似龙卷风的涡流管扩散和速度的模型。涡流管是湍流的重要组成部分,在经典物理学中得到了广泛的研究。涡旋管的运动与许多情况有关,如飓风的形成、病毒的空气传播以及恒星形成过程中的化学混合。但是在量子流体中对它的理解很少。这项工作扩展了之前的一项研究,该研究报告了在狭窄的温度范围内在超流体氦-4中获得的实验结果。超流体是无阻力流动的液体,因此不会损失动能。当它们被搅动时,它们形成无限旋转的漩涡。

(a)演变中的随机涡旋纠缠的快照。红点代表用于扩散分析的涡丝点。(b)相应涡线密度 L (t)的变化。插图中的放大显示了由于环注入导致的 L 波动。(c)在 x 方向上涡量 Δx2(t) something 的均方位移。实线和虚线与阴影区域的数据符合幂律关系。(d)在 x,y,z 方向上的扩散指数 γ 与平均涡线间距 l = L-1/2的平均值。误差棒(对 γ1而言几乎看不见)表示三个轴向扩散的 γ 值的标准偏差。

FAMU-FSU 工程学院机械工程副教授郭(音译)说: “通过验证这个模型,并表明它描述了涡流在各种温度下的运动,我们确认了这种现象的普遍规律。这一发现可能有助于量子湍流的高级理论模型的发展。”

在之前的研究中,郭和他的团队追踪了出现在超流体氦-4中的涡流管,这是一种存在于极低温度下的量子流体。在这项研究中,研究小组利用捕获在漩涡中的微小粒子来追踪它们的运动轨迹。他们发现,基于管道明显的随机运动,涡流扩散的速度比人们预期的要快得多。这种快速扩散被称为超扩散。

在最近的工作中,研究人员建立了一个数值模型,并利用他们以前的研究结果通过重现实验结果来验证模型的准确性。这使得他们能够预测涡旋管如何在更宽的温度范围内在超流体中形成和扩散。模拟还提供了明确的证据,支持作者提出的解释观察到的涡旋超扩散的物理机制。

(a)涡流-速度时间相关函数(量子场论) Cx (t’) ,表示一个具有代表性的缠结,呈幂律伸缩,导致观察到的超扩散。(b)选定的两组涡丝点(即蓝色圆圈和红色十字)的 Δx2(t)数据

研究人员的目标是了解量子流体中的湍流对基础研究的好处,以及在实际应用中可能的用途,如纳米线的制造。涡流管吸引粒子聚集在一起,形成一条细得难以置信的线。控制这个过程就可以制造出所谓的纳米线,这种线的厚度可以用纳米来测量。

“在经典的湍流场中,粒子在湍流中的弥散是一个非常活跃的话题,但是在量子流体领域却没有得到太多的关注,”汤(音译)说,他是 FSU 总部国家强磁场实验室的博士后,也是该研究的联合主要作者之一。“我们的工作可能会促进未来更多关于量子流体中粒子扩散的研究。”

双光子干涉激光雷达成像

作者: Robbie Murray,Ashley Lyons

研究人员已经表明,量子激发技术可以用来执行激光雷达成像与更高的深度分辨率比可能的传统方法。激光雷达利用激光脉冲获取场景或物体的三维信息,由于其深度分辨率有限,通常最适合对大型物体(如地形特征或建筑结构)成像。

来自英国格拉斯哥大学的研究小组组长阿什利 · 莱昂斯说:“虽然激光雷达可以用来成像一个人的整体形状,但它通常不能捕捉到更细微的细节,比如面部特征。通过增加额外的深度分辨率,我们的方法可以捕捉到足够的细节,不仅可以看到面部特征,甚至可以看到某人的指纹。”

Lyons 和第一作者 Robbie Murray 描述了这项新技术,他们称之为成像双光子干涉激光雷达。他们表示,它可以区分反射表面间距小于2毫米,并创建微米级分辨率的高分辨率三维图像。

里昂说: “这项工作可能会带来比现在更高分辨率的3D 成像,这可能对涉及小特征的面部识别和跟踪应用有用。在实际应用中,常规激光雷达可以用来粗略估计物体的位置,然后用我们的方法对物体进行仔细测量。”

A)说明双光子干涉激光雷达概念的工作原理。测量干涉仪两个输出端口的二阶相关函数(量子场论) g (2)(绿色)。两个端口的强度也显示(红色和蓝色虚线)。当存在大量的相位噪声(相位平均)时,包络函数保持在 g (2)中。B)实验装置示意图。红色箭头表示光束传播方向。从第一个分束器(50:50BS)开始,干涉仪的一个臂(左上)通过扫描镜对发送到现场。返回的光由单模光纤收集。另一个臂(右下)由控制光路长度(延迟)的光纤收集。干涉仪的相位由两臂之一的压电驱动器连续随机化。两臂在一个分束器处相交,在那里输出端口由一对 SPAD 监控。

这项新技术使用“量子激励”干涉测量法,从两束光相互干涉的方式中提取信息。纠缠对光子(或称量子光)通常用于这种类型的干涉测量,但基于光子纠缠的方法往往在光损耗较大的情况下表现不佳,激光雷达几乎总是这种情况。为了克服这个问题,研究人员将他们从量子感应中学到的知识应用到经典(非量子)光上。

“利用量子纠缠光子,每单位时间只能产生这么多的光子对,然后设置就变得非常技术性的要求,”里昂说。“这些问题在经典光中不存在,而且可以通过调高激光功率来避免高损耗。”

当两个相同的光子同时在分束器上相遇时,它们总是粘在一起,或者纠缠在一起,然后朝同一个方向离开。经典光表现出相同的行为,但程度较轻ーー大多数时候经典光子都沿着相同的方向运动。研究人员利用经典光的这一特性,通过观察两个光子同时到达探测器的时间,非常精确地计算出一个光子的到达时间。

成像双光子干涉激光雷达的实验验证。一枚20便士硬币的样品(左)和测量深度图(右)的照片。估计深度分辨率为7μm。

“时间信息使我们能够执行深度测距,将其中一个光子发送到3D 场景中,然后计算光子返回所需的时间,”里昂说。因此,双光子干涉激光雷达的工作原理很像传统的激光雷达,但是可以让我们更精确地计算出光子到达探测器所需的时间,这直接转化为更高的深度分辨率。”

研究人员利用双光子干涉激光雷达探测一块2毫米厚的玻璃的两个反射面,演示了它的高深度分辨率。传统的激光雷达无法区分这两个表面,但是研究人员能够清楚地测量这两个表面。他们还使用这种新方法创建了一个20便士硬币的具有7微米深度分辨率的详细3D 地图。这表明,该方法可以捕捉到区分关键面部特征或人与人之间其他差异所必需的细节水平。

双光子干涉激光雷达在单光子水平上也能很好地工作,这可以增强用于非视线成像或通过高散射介质成像的更复杂的成像方法。目前,获取图像需要很长时间,因为它需要扫描所有三个空间维度。研究人员正在努力通过减少获取3D 信息所需的扫描量来加快这一过程。

可重构胶体组件的自组织激光器

作者: Manish Trivedi,Dhruv Saxena,Wei Kit Ng,Riccardo Sapienza,Giorgio Volpe,自然物理

虽然许多人造材料具有先进的性能,但要将生物材料的多功能性和功能性结合起来,以适应它们的情况,它们还有很长的路要走。例如,在人体内,骨骼和肌肉不断重组其结构和组成,以更好地维持不断变化的体重和活动水平。

现在,伦敦帝国理工学院和伦敦大学学院的研究人员已经展示了第一个自发自组织的激光装置,它可以在条件变化时重新配置。这项创新将有助于开发能够更好地模拟生物物质特性的智能光子材料,如响应性、适应性、自愈性和集体行为。

来自帝国理工学院物理系的里卡多 · 萨皮恩扎教授是这项研究的共同主要作者之一,他说: “激光是我们大部分技术的动力源,它是由晶体材料设计而成,具有精确的静态特性。我们问自己,我们是否能够创造一种能够混合结构和功能的激光器,能够像生物材料那样重新配置自己并进行合作。

“我们的激光系统可以重新配置和合作,从而能够迈出第一步,模拟生物材料典型的结构和功能之间不断发展的关系。”

胶体组件中 Janus 粒子的取向。

激光器是放大光线以产生特殊形式光线的装置。该团队实验中的自组装激光器是由分散在液体中的微粒组成的,这种微粒具有放大光线的能力。一旦足够多的这些微粒聚集在一起,它们就可以利用外部能量“激光”来产生激光。

一束外部激光被用来加热一个“ Janus”粒子(一面涂有吸光材料的粒子) ,微粒聚集在其周围。这些微粒子团簇产生的激光可以通过改变外部激光的强度来打开或关闭,而外部激光的强度又控制着团簇的大小和密度。

研究小组还展示了激光团如何通过加热不同的 Janus 粒子在空间中传输,展示了该系统的适应性。Janus 粒子也可以协同工作,创造出除了简单地添加两个团簇之外的性质的团簇,例如改变它们的形状和增强它们的激光能量。

来自伦敦大学学院化学系的共同作者 Giorgio Volpe 博士说: “如今,激光在医学、电信以及工业生产中的应用是理所当然的。具有类似生命特性的激光器将有助于开发强大、自主和耐用的下一代传感应用材料和设备、非常规计算、新型光源和显示器。”

接下来,研究小组将研究如何改进激光器的自主行为,使它们更加逼真。这项技术的第一个应用可能是用于智能显示器的下一代电子墨水。

密度泛函理论在相关电子跨温度区域非线性响应中的应用

作者: Zhandos Moldabekov,Jan Vorberger,Tobias Dornheim 发表于《化学理论与计算杂志》

尽管描述电子结构的大多数基本数学方程早已为人所知,但它们过于复杂,无法在实践中求解。这阻碍了物理、化学和材料科学的进步。得益于现代高性能计算集群和仿真方法密度泛函理论(DFT)的建立,研究人员得以改变这种状况。然而,即使使用这些工具,建模过程在许多情况下仍然被极大地简化。现在,先进系统理解中心(CASUS)和亥姆霍兹-德累斯顿-罗森多夫辐射物理研究所(HZDR)的物理学家们成功地显著改进了 DFT 方法。这为超高强度激光实验开辟了新的可能性,正如该小组解释的那样。

在新的出版物中,青年研究小组组长托拜厄斯 · 多恩海姆博士(Dr. Tobias Dornheim),主要作者詹多斯 · 莫尔达贝科夫博士(Dr. Zhandos Moldabekov)(两人都是 CASUS,HZDR)和简 · 沃尔伯格博士(Dr. Jan Vorberger)(HZDR 辐射物理研究所)接受了我们这个时代最基本的挑战之一: 精确描述数十亿个量子粒子如电子如何相互作用。这些所谓的量子多体系统是物理、化学、材料科学和相关学科中许多研究领域的核心。事实上,大多数材料的性质是由相互作用电子的复杂的量子力学行为决定的。尽管描述电子结构的基本数学方程在原则上早已为人所知,但它们过于复杂,难以在实践中求解。因此,实际的理解,例如精心设计的材料仍然是非常有限的。

随着现代高性能计算集群的出现,这种令人不满的情况发生了改变,这引发了计算量子多体理论的新领域。在这里,一个特别成功的工具是密度泛函理论(DFT) ,它对材料的性质提供了前所未有的见解。密度泛函理论被认为是物理、化学和材料科学中最重要的模拟方法之一。它尤其擅长描述多电子系统。事实上,基于 DFT 计算的科学出版物的数量在过去十年中呈指数级增长,公司已经使用这种方法成功地计算出了前所未有的准确的材料特性。

在线性响应理论的框架下,得到了许多可以用 DFT 来计算的性质。这个概念也被用在许多实验中,而在这些实验中,我们测量了感兴趣的系统对外部扰动(如激光)的(线性)响应。这样就可以对系统进行诊断,获得密度、温度等基本参数。线性响应理论常常首先使实验和理论变得可行,并且在整个物理学和相关学科中几乎无处不在。然而,它仍然是一个过程的急剧简化和强大的局限性。

在他们的最新出版物中,研究人员正在开拓新的领域,将 DFT 方法扩展到简化的线性区域之外。因此,可以首次计算出密度波、阻抗功率和结构因子等非线性效应,并与实际材料的实验结果进行比较。在本文发表之前,这些非线性效应只是通过一系列精心设计的计算方法,即量子蒙特卡罗法模拟来再现的。尽管该方法能够得到精确的结果,但是由于需要大量的计算能力,因此它仅限于受限制的系统参数。因此,对于快速模拟方法的需求越来越大。

詹多斯•莫尔达贝科夫(Zhandos Moldabekov)表示: “我们在论文中提出的密度泛函理论比量子蒙特卡罗法计算快1000至10000倍。此外,我们能够证明,从周围环境到极端条件的各种温度情况下,这并不影响测量的准确性。基于 DFT 的量子相关电子非线性响应特性研究方法为研究复杂材料中新的非线性现象开辟了诱人的可能性。”

Jan Vorberger 解释说: “我们发现我们的新方法非常适合现代实验设施的能力,比如与 HZDR 合作的 Helmholtz 国际极端场光束线,它最近才投入使用。利用高功率激光器和自由电子激光器,我们可以精确地制造这些非线性激发,我们现在可以从理论上研究它们,并以前所未有的时间和空间分辨率来检验它们。理论和实验工具已经准备好在前所未有的极端条件下研究物质的新效应。”

参考文献:

1.原子基半导体量子点的工程拓扑态:

https://www.nature.com/articles/s41586-022-04706-0

2.纠缠单个原子超过33公里的电信光纤:

https://www.nature.com/articles/s41586-022-04764-4

3.多模光子封锁:

https://www.nature.com/articles/s41567-022-01630-y

4.电子流体中涡旋的直接观测:

https://arxiv.org/abs/2202.02798

5.光纤集成系统中光物质纠缠的存储与分析:

https://arxiv.org/abs/2201.03361

6.一维氦的实验实现:

https://www.nature.com/articles/s41467-022-30752-3

7.超量子湍流中量子化涡旋的普适异常扩散:

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.129.025301

8.双光子干涉激光雷达成像:

https://opg.optica.org/abstract.cfm?uri=oe-30-15-27164

9.可重构胶体组件的自组织激光器:

https://www.nature.com/articles/s41567-022-01656-2

10.密度泛函理论在相关电子跨温度区域非线性响应中的应用:

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.jctc.2c00012


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