DAOrayaki |迈向无差错量子计算

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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, Errors Correcting, Survey

原文作者:   Paradigm

创作者:hahaho@DAOrayaki.org

审核者:xinyang@DAOrayaki.org

原文:  QT/ Toward error-free quantum computing

导读

  • 要使量子计算机在实践中发挥作用,必须检测和纠正错误。最近一个实验团队首次在容错量子比特上实现了一套通用的计算操作,展示了如何在量子计算机上对算法进行编程,且其中的错误不会破坏最终结果。
  • 研究人员已经成功地将量子信息传送到一个初级网络中。这是朝着未来量子互联网迈出的重要一步,这一突破是通过一个改进的量子存储器,增强三个网络节点之间的量子链接的质量而实现的。
  • 粒子加速器帮助研究人员从轰击地球大气层的高能宇宙射线的碰撞中,发现了关于磁单极存在的新的限制。
  • 科学家发现了Kondo效应,并试图从理论上阐释它。结果他们发现,Kondo效应是通过多个 “量子纠缠态 ”发生的,这取决于温度和其他因素。他们还发现,Kondo效应通过最小铁磁性抑制了导电性,而通常它在许多其他情况下是被放大的。
  • 研究人员探索钛酸锶(一种金属氧化物半导体)的细微结构变化如何改变材料的电阻并影响其超导特性。这项研究可以帮助未来与超导有关的实验和材料设计,以及为各种电子设备应用创造更有效的半导体。
  • 虽然量子计算机提供了许多新的可能性,但它们也对互联网安全构成了威胁,因为这些超级计算机使普通的加密方法变得易于攻击。基于所谓的量子密钥分布,研究人员已经开发出一种新的、防窃听的通信网络。
  • 关于物理学的一个重要的、常被忽视的方面,探索在粒子中的对称性,以及它如何被打破。
  • 量子物理学家已经回答了一个处于铁基超导体研究前沿的困惑多年的问题。为什么硒化铁中的电子在左右移动而不是前后移动时,且会以不同的频率跳动?在一项新的研究中,研究人员发现了高能自旋各向异性,它与硒化铁中的电子奈米性同时发生。
  • 科学家们在一个似乎改变了物理学定律的实验中创造了第一个 “时间晶体 ”系统。
  • 2021年,科学家利用计算方法发现了一种新形式的超导镍酸盐。这一发现让研究人员探索了镍酸盐和铜酸盐(铜基材料),以及镍酸盐之间的相似性和差异。这两种材料似乎都显示出 “超级置换”的特性,即材料通过含有氧气的途径,而不是直接交换铜或镍原子中的电子。研究人员认为,这可能是支配超导性的因素之一。
  • 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

容错性通用量子门的操作演示

作者:Lukas Postler、Sascha Heuβen、Ivan Pogorelov、Manuel Rispler、Thomas Feldker、Michael Meth、Christian D. Marciniak、Roman Stricker、Martin Ringbauer、Rainer Blatt、Philipp Schindler、Markus Müller、Thomas Monz

要使量子计算机在实践中发挥作用,必须检测和纠正错误。在奥地利因斯布鲁克大学,一个实验物理学家小组首次在容错量子比特上实现了一套通用的计算操作,展示了如何在量子计算机上对算法进行编程,使错误不会破坏最终结果。

在现代计算机中,信息处理和存储过程中的错误已经很少了。然而,对于关键应用,即使是微小的错误也会产生严重的影响,数据处理的冗余度的纠错机制仍然有用武之地。

量子计算机更容易受到干扰,因此纠错机制必不可少,否则错误会在系统中不受控制地传播,信息会丢失。因为量子力学的基本定律禁止复制量子信息,所以可以通过将逻辑量子信息分布到几个物理系统的纠缠状态中来实现冗余,例如多个独立原子。

量子纠错码,逻辑门和实验系统。

由因斯布鲁克大学实验物理系的Thomas Monz和德国亚琛工业大学和尤利希研究中心的Markus Müller领导的团队现在首次成功地在两个逻辑量子位上实现一套计算操作,这代表可以用来实现任何可能的操作。

来自因斯布鲁克的实验物理学家Lukas Postler解释说:对于现实世界的量子计算机,我们需要一套通用量子的门,用它来编程所有的算法。

研究小组在一台具有16个被困原子的离子阱量子计算机上实现了这个通用量子门组。量子信息被存储在两个逻辑量子比特中,每个比特分布在七个原子上。

而现在可以在这些容错量子比特上实现两个计算门,这是通用门集的必要条件:一个是两个量子比特上的计算操作(CNOT门),一个是逻辑T门,这在容错量子比特上特别难以实现。

“T门是非常基本的操作”,理论物理学家Markus Müller解释说。“它们特别有趣,因为没有T门的量子算法可以在传统计算机上相对容易地模拟,否定了任何可能的速度提升。”

物理学家们通过在一个逻辑量子比特中准备一个特殊状态,并通过纠缠门操作将其传送到另一个量子比特中来演示T门。

逻辑基础状态\({|0\rangle }_{{\rm{L}}}\)和逻辑Clifford运算的容错准备。

在编码的逻辑量子比特中,存储的量子信息被保护起来。但如果没有计算操作,这一点是无用的,而这些操作本身也是容易出错的。

研究人员在逻辑量子比特上重现了这一操作,其方式是由基础物理操作引起的错误也可以被检测和纠正。因此,他们在编码的逻辑量子比特上实现了第一套通用门的容错实施。

容错T型门的注入。

“容错的实现比非容错的操作需要的更多。这将在单个原子的规模上引入更多的错误,但尽管如此,逻辑量子比特上的实验操作比非容错逻辑操作要好,”Thomas Monz高兴地说到。“努力和复杂性增加了,但所产生的质量却更好。”

研究人员还利用传统计算机上的数值模拟检查并确认了他们的实验结果。

物理学家们现在已经证明了在量子计算机上进行容错计算的所有构建模块。现在的任务是在更大、更有用的量子计算机上实现这些方法,在因斯布鲁克的离子阱量子计算机上演示的方法也可以用于其他量子计算机的架构上。

大气层固定目标实验中的单极子

Syuhei Iguro, Ryan Plestid, Volodymyr Takhistov 发表于《物理评论快报》

一项新的研究报告称,一些粒子加速器使研究人员对长期以来理论上的磁单极的存在研究,产生了新的限制,这些磁单极子来自轰击地球大气层的高能宇宙射线的碰撞。

磁铁对每个人来说都非常熟悉,在日常生活中有着广泛的应用,从电视和电脑到儿童玩具。然而,将任何磁铁,例如由南北两极组成的导航罗盘针掰成两半,就会产生两个较小的两极磁铁。自1931年物理学家Paul Dirac提出“磁单极子”(与电子相当但带有磁电荷的粒子)的理论以来,这个谜团已经困扰了研究人员几十年。

为了探索磁单极子是否存在,包括东京大学卡弗里宇宙物理与数学研究所(Kavli IPMU)研究员Volodymyr Takhistov在内的一个国际研究小组研究了来自各种地面实验的现有数据,并在广泛的可能质量范围内进行了迄今为止最敏感的单极搜索。研究人员专注于一个不寻常的单极子来源:宇宙射线的大气碰撞,这些碰撞已经发生了好几个世纪。

大气宇宙射线碰撞产生的磁单极子 (M) 示意图。

这项跨学科研究需要汇集来自科学的几个不同领域的专业知识—包括加速器物理学、中微子相互作用和宇宙射线。

宇宙射线与大气层的碰撞在推动科学发展中发挥了核心作用,特别是对中微子的探索。这也是Kavli IPMU高级研究员Takaaki Kajita因Super Kamiokande实验发现中微子振荡而获得2015年诺贝尔物理学奖的原因,这意味着它们有质量。

受到Super-Kamiokande实验结果的启发,该团队开始研究单极子。特别引人注意的是在电弱尺度附近的轻质单极子的质量,传统的粒子加速器可以较容易地捕获它们。

通过对宇宙射线碰撞进行模拟,类似于欧洲核子研究中心(CERN)大型强子对撞机的粒子碰撞,研究人员获得了一束持续的光单极子,并向不同的地面实验倾泻。这种独特的单极子来源很独特,因为它独立于任何预先存在的单极子,例如那些可能作为早期宇宙遗留物的单极子,并且涵盖了广泛的能量范围。

通过重新分析来自以前广泛的实验性单极子搜寻的数据,研究人员发现了在广泛的质量范围内对单极子的新的限制,包括那些常规对撞机单极子搜寻无法企及的。

量子网络中非相邻节点之间的Qubit远程传输

作者:S. L. N. Hermans, M. Pompili, H. K. C. Beukers, S. Baier, J. Borregaard, R. Hanson 发表于《自然》

代尔夫特(Delft)的研究人员成功地将量子信息传送到一个初级网络中。这在同类研究中尚属首次,是迈向未来量子互联网的重要一步。这一突破是由一个改进的量子存储器和该网络三个节点之间的量子链接的质量提高而实现的。研究人员在QuTech工作,这也是代尔夫特理工大学和荷兰应用科学研究组织(TNO)之间的一次合作。

未来量子互联网的力量是基于在网络节点之间发送量子信息(量子比特)的能力。这使各种应用成为可能,如安全地共享机密信息,将几台量子计算机连接在一起以提高其计算能力,以及使用高度精确的、链接的量子传感器。

这样一个量子网络的节点由小型量子处理器组成。在这些处理器之间发送量子信息不是一件容易事。一种方式是使用光粒子发送量子比特,但由于在玻璃纤维电缆中传输(特别是长距离传输)信息丢失是不可避免的,光粒子很可能无法到达目的地。由于无法简单地复制量子比特,光粒子的损失意味着量子信息不可恢复地丢失。

远距传输提供了一种更好的发送量子信息的方式。量子传送协议的名称与科幻电影中的传送类似:量子比特在发送方一侧消失,在接收方一侧出现。因此,由于量子比特不需要穿越中间的空间,它就没有机会丢失。这使得量子传送成为未来量子互联网的关键技术。

为了能够远程传输量子比特,需要几个要素:发送方和接收方之间的量子纠缠链接,读取量子处理器的可靠方法,以及临时存储量子比特的能力。QuTech之前的研究表明,在两个相邻的节点之间传送量子比特是可能的。QuTech的研究人员认为他们可以满足一揽子要求,并证明在非相邻节点之间的远程传输,换句话说,是通过网络。他们在一个中间节点 “Bob”的帮助下,将量子比特从节点 “Charlie”传送到节点 “Alice”。

在量子网络的非相邻节点之间远程传输量子比特。

传送由三个步骤组成。首先,必须准备好 “传送器”,这意味着必须在Alice和Charlie之间建立一个纠缠状态。Alice和Charlie没有直接的物理联系,但他们都与Bob有直接联系。为此,Alice和Bob在他们的处理器之间创建一个纠缠状态。然后,Bob存储他的那部分纠缠状态。接下来,Bob与Charlie创建了一个纠缠态。然后进行一个量子力学的 “魔术”:通过在他的处理器中进行一个特殊的测量,Bob把纠缠状态发送出去,就像这样。结果。Alice和Charlie现在被纠缠在一起了,而传送器已经准备好被使用。

第二步是创建要传送的信息—量子比特。例如,这可以是“1”或 “0”或其他各种中间量子值。Charlie准备好这个量子信息。为了证明量子遥传的一般有效,研究人员对不同的量子比特值进行了多次实验。

第三步是从Charlie到Alice的远程传输。为此,Charlie对他的量子处理器和他的一半纠缠态(Alice拥有另一半)的信息进行了联合测量。然后发生的事情是只有在量子世界中才可能发生的:作为这个测量的结果,信息在Charlie那边消失了,并立即出现在Alice那边。

你可能认为一切都完成了,但事实并非如此。事实上,量子比特在传输时已经被加密了;密钥是由Charlie的测量结果决定的。所以Charlie将测量结果发送给Alice,之后Alice进行相关的量子操作来解密量子比特。例如,通过“比特翻转”。在Alice进行了正确的操作之后,量子信息就适合进一步使用了,远距传输就成功了!

非相邻网络节点之间的Qubit远程传输。

后续研究将集中在逆转传送协议的第一和第二步骤上。这意味着首先创建(或接收)要传送的量子比特,然后才准备传送器来进行传送。颠倒顺序尤其具有挑战性,因为要传送的量子信息必须在创建纠缠的同时进行存储。然而,它有一个显著的优势,因为传送可以完全“按要求”进行。这是相关的,例如,如果量子信息包含一个困难的计算结果,或者如果远程传输必须多次进行。因此,从长远来看,这种类型的远程传输将作为量子互联网的骨干。

高流动性超导SrTiO 3薄膜中的反常传输

作者:Jin Yue, Yilikal Ayino, Tristan K. Truttmann, Maria N. Gastiasoro, Eylon Persky, Alex Khanukov, Dooyong Lee, Laxman R. Thoutam, Beena Kalisky, Rafael M. Fernandes, Vlad S. Pribiag, Bharat Jalan 发表于《Science Advances》

由明尼苏达大学双城分校研究人员领导的团队研究,钛酸锶这种金属氧化物半导体的细微结构变化是如何改变该材料的电阻并影响其超导特性。

这项研究可以帮助指导未来与超导有关的实验和材料设计,以及为各种电子设备应用创造更有效的半导体。

在过去的60年里,钛酸锶一直在科学家的视线中,因为它显示出许多有趣的特性。其一,它成为一种超导体,即在低温和低浓度电子的情况下无阻力地顺利导电。它在110开尔文(-262华氏度)时会发生结构变化,这意味着其晶体结构中的原子会改变它们的排列。然而,科学家们仍在争论究竟是什么导致了这种材料在微观层面上的超导性,或者它的结构发生变化时究竟发生了什么。

掺杂Nd的STO薄膜的结构特征。

在这项研究中,明尼苏达大学领导的团队能够对这些问题进行一些阐释。通过材料合成、分析和理论建模的结合,研究人员发现,钛酸锶内部的结构变化直接影响到电流如何流经该材料。他们还揭示了材料中电子浓度的微小变化如何影响其超导性。这些见解将为今后相关研究提供参考,包括对其独特的超导特性的研究。

“人类生活的支柱依赖于材料新特性的发现,科学家和工程师可以利用这些特性来制造新的设备和技术,”主要作者、明尼苏达大学双城分校化学工程和材料科学系副教授和壳牌教授(Shell Chair)Bharat Jalan说。这项研究展现的是超导性和钛酸锶材料结构之间的联系。但也许更重要的是,它表明合作的方法对于解决科学和工程中的复杂问题至关重要。

研究人员能够取得这一发现的一个关键原因是,他们能够合成一种极其“干净”的钛酸锶材料,这意味着它含有极少的杂质。为了做到这一点,他们使用了一种叫做混合分子束外延(MBE)的技术。

由于该材料很干净,研究人员能够在钛酸锶中进行以前未见过的观察。通过理论建模,研究人员能够将实验观察到的宏观特性与电子的微观行为联系起来。

掺杂Nd-STO薄膜中AFD转换对电子传输的影响。

明尼苏达大学物理和天文学学院教授和撰稿人Rafael Fernandes说:“观察到的超导特性对电子密度的微小变化的反应为正在进行的钛酸锶的超导性之谜提供了新的信息。”

这项研究由明尼苏达大学双城分校的三位教师合作完成,,Jalan带头开展了这项工作并处理了材料合成和运输测量,Fernandes的小组负责理论计算,物理和天文学学院副教授Vlad Pribiag负责薄膜特性的高级测量。

Pribiag说:“现代科学和工程中的很多问题都非常复杂,以至于超出了单一学科的范畴。”在同一个学院内有这些合作是非常有用的。你需要他们来解决源源不断的问题。

T型双晶格上Lieb最小铁磁系统的Kondo效应

作者:Masashi Tokuda, Yunori Nishikawa 发表于《物理评论B》

大阪市立大学的Nishikawa博士专注于Kondo效应,并试图从理论上阐释它。他们发现Kondo效应是通过多个“量子纠缠态”发生的,这取决于温度和其他因素。他们还发现,Kondo效应通过最小铁磁性抑制了导电性,而通常它在许多其他情况下是被放大的。

大多数人在日常生活中没有意识到磁力,但在电动马达、硬盘和电动传感器中却依赖磁力。在开发更小的电子元件中,需要了解这些元件的量子机制。在他们的新论文中,来自大阪市立大学研究生院的Yunori Nishikawa博士和大阪大学的Masashi Tokuda对铁磁性物质中的电子散射Kondo效应进行了数学建模。

(a) T型晶格上孤立的哈伯德模型基态的自旋量子数和电子占据数是(2ɛd+U)/t和U/t的函数。(b)PS和PD的概率作为U/t的函数绘制。

在最简单的导电性模型中,电子在金属中自由流动,但在量子尺度上,情况更为复杂:磁性杂质可以散射一些电子—这种现象被称为Kondo效应。

Nishikawa博士解释说:Kondo效应是理解强相关电子系统的关键概念之一,例如稀土材料和高温超导体的磁性。电导率的变化基于磁性,而磁性的变化与温度有关,这使得所有三个因素之间的关系非常复杂。纳米技术的最新进展使得利用量子点制造人工磁性系统成为可能,从而可以探索Kondo效应和磁性相互作用。

1948年铁磁性的发现使Louis Néel获得了1970年诺贝尔物理学奖。如果你把物体中的磁矩想象成磁力的小方向箭头,在纯铁磁体中,所有的箭头都指向同一个方向。另一方面,在铁磁体中,磁矩指向相反的方向,但以不平衡的方式。而关于铁磁体的Kondo效应还没有被研究过。

使用NRG能谱计算的几个U值的杂质熵的温度依赖性。插图:杂质熵的U3/U依赖性。

这些难以捉摸的效果需要物理学家在他们的理论设定上“小心翼翼”的发挥创造力,因为进行建模需要大量的计算能力。研究人员使用了一个由四个量子点组成的新型T形晶格,与两个电子库相连,以诱导电流。虽然成对的量子点,或称四元组,以前曾被用来模拟量子现象,但T形排列是新的,并允许铁磁性的出现。

这使得研究人员能够在T形量子点阵列上建立与温度变化有关的铁磁性模型,使Kondo效应与铁磁性相一致。

“由于系统的对称几何配置,我们曾预计我们会从最小的铁磁性状态到Kondo状态,而不需要经过其他量子纠缠状态,像往常一样放大电导率,”Tokuda回忆说。然而,我们非常惊讶地发现它被抑制了,与我最初的预期相反。

通过预测Kondo效应和最小铁磁性的相互作用,这项研究提出了一个反直觉的假说,供实验测试使用。

CPT定理的起源

作者:Alexander S. Blum、Andres Martinez de Velasco 发表于《欧洲物理杂志H》

在20世纪初,量子力学和相对论的发展永远改变了物理学的面貌。虽然有很多关于这场革命的文章,但对CPT定理的发展却知之甚少--它对量子场论和现代物理学至关重要。

柏林马克斯-普朗克科学史研究所的Alexander S. Blum和Andres Martınez de Velasco在EPJ H上发表的一篇新论文,探讨了CPT定理的根源及其对现代物理学的影响。

CPT定理是这样一个声明:如果我们同时用反粒子取代粒子,反之亦然,没有任何变化--没有人会注意到,物理学的预测也不会改变,Blum说。用它的镜像取代一切,或者更确切地说:交换左和右、上和下、前和后,并逆转时间流。我们称这种同步变换为CPT,其中C代表电荷共轭(交换粒子和反粒子),P代表宇称(Parity),T代表时间逆转。

Blum补充说,在论文过程中讲述的故事中,CPT定理在其发现几年后才变得真正重要。

最初,物理学家(默许)认为,即使我们单独做上述三种变换中的一种,也不会有什么变化,这位研究员说。在1957年,人们发现,我们实际上可以将世界与它的镜像区分开来。特别是某些放射性衰变实际上可以区分出左和右。随着时间的推移,人们会发现这三种变换实际上都会产生明显的差异。”

Blum最后解释说,现在是回顾CPT定理的好时机,因为年轻的研究人员正在变得既精通历史和哲学分析,又精通二战后物理学的数学复杂性。

通过基于纠缠的时空编码

实现同步配对量子密钥分发的可扩展网络

作者:Erik Fitzke、Lucas Bialowons、Till Dolejsky、Maximilian Tippmann、Oleg Nikiforov、Thomas Walther、Felix Wissel、Matthias Gunkel 发表于《PRX Quantum》

虽然量子计算机提供了许多新的可能性,但它们也对互联网安全构成了威胁,因为这些超级计算机使普通的加密方法变得易于攻击。基于所谓的量子密钥分配,达姆施塔特工业大学的研究人员已经开发出一种新的、防窃听的通信网络。

新系统用于在各方之间交换对称密钥,以便对信息进行加密,使其不能被第三方读取。在与德国电信的合作中,由物理学教授Thomas Walther领导的研究人员成功地运行了一个量子网络,该网络在用户数量上是可扩展的,同时也是强大的,不需要信任节点。在未来,这样的系统可以保护关键基础设施免受日益增长的网络攻击的危险。此外,在较大城市的不同政府场所之间可以安装防窃听连接。

基于 BBM92 协议的时间-bin 纠缠量子密钥分发方案。

达姆施塔特研究人员开发的系统实现了所谓的量子密钥交换,为星形网络中的各方提供了一个共同的随机数。单个的光量子,即所谓的光子,被分配给通信网络中的用户,以计算出随机数,从而计算出数字密钥。由于量子物理效应,这些密钥是特别安全的。通过这种方式,通信受到特别高度的保护,现有的窃听攻击可以被发现。

到目前为止,这种量子密钥方法在技术上很复杂,对外部影响很敏感。来自合作研究中心CROSSING的达姆施塔特小组的系统是基于一个特殊的协议。该系统将光子从中央源分配给网络中的所有用户,并通过所谓的量子纠缠效应建立起量子密钥的安全性。这种量子物理效应在两个光粒子之间产生关联,即使它们相距甚远,也可以观察到这种关联。伙伴粒子的属性可以通过测量一对光粒子的属性来预测。

偏振通常被用作一种属性,但由于环境的影响,如振动或小幅温度变化,这在用于传输的玻璃纤维中通常会受到干扰。然而,达姆施塔特系统使用一种协议,其中量子信息被编码在光子的相位和到达时间中,因此对这种干扰特别不敏感。该小组首次成功地通过这种强大的协议为用户网络提供了量子密钥。

脱温FeSe向列状态下的自旋-激发各向异性

by Xingye Lu, Wenliang Zhang, Yi Tseng, Ruixian Liu, Zhen Tao, Eugenio Paris, Panpan Liu, Tong Chen, Vladimir N. Strocov, Yu Song, Rong Yu, Qimiao Si, Pengcheng Dai, Thorsten Schmitt 发表于《Nature Physics》

莱斯大学的量子物理学家是一个国际团队的成员,该团队回答了一个处于铁基超导体研究前沿的令人困惑的问题。为什么硒化铁中的电子在左右移动而不是前后移动时,会以不同的节奏跳动?

由北京师范大学的Xingye Lu、莱斯大学的Pengcheng Dai和瑞士保罗-舍勒研究所(PSI)的Thorsten Schmitt领导的研究小组使用共振非弹性X射线散射(RIXS)来测量硒化铁中电子自旋在高能级的行为。

晶体结构、去孪晶策略、散射几何和依赖于入射能量的 RIXS。

自旋是电子与磁性有关的属性,研究人员发现硒化铁中的自旋开始以一种依赖方向的方式表现出来,与此同时,该材料开始表现出依赖方向的电子行为,或者说是念动性。

电子向列性被认为是在硒化铁和类似的铁基材料中带来超导性的一个重要因素。这些铁基超导体在2008年首次被发现,数量多达几十种。所有的超导体都是在非常低的温度下变成的,而且大多数在达到超导性开始的临界温度之前就表现出了线状物的特性。

向列性是帮助还是阻碍了超导的开始,目前还不清楚。但是在PSI的瑞士光源进行的高能自旋实验的结果是一个惊喜,因为硒化铁是唯一的铁基超导体,在没有电子自旋的长程磁排序的情况下会发生向列性。

硒化铁有一些特别之处,莱斯研究的共同作者Qimiao Si说,他和Dai一样,是莱斯量子计划的成员。作为没有长程磁秩序的向列体,提供了一个额外的旋钮来访问铁基超导体的物理学。在这项工作中,实验发现了一些引人注目的东西,即高能自旋激发是分散的和无阻尼的,这意味着它们有一个明确的能量与动量的关系。

在所有的铁基超导体中,铁原子被排列在二维片上,夹在其他元素的上下片之间,在硒化铁的情况下是硒。二维铁片中的原子以棋盘方式间隔开来,在左右和前后方向上彼此的距离完全相同。但是当这些材料在接近超导点时被冷却,铁片发生了轻微的结构变化。原子不再是精确的正方形,而是形成了像棒球钻石一样的长方形菱形,其中从本垒到二垒的距离比从一垒到三垒的距离短。伴随着这一转变,出现了电子向列性,其形式是电阻增加或减少,或仅在本垒到二垒或一垒到三垒的方向上的导电性。

去孪晶 FeSe 和 BaFe2As2 中的各向异性磁激发。

虽然已知硒化铁中存在结构向列性,但一种被称为孪生的特性使其无法准确测量,直到2019年Dai、Lu和研究报告的共同作者Chen(Dai的实验室的一名前研究生,于2021年毕业)取得了突破。

在铁基超导体中,当材料的薄片堆叠在一起,并且薄片中的铁层错位时,就会发生孪生现象。想象一下,100个棒球钻石一个接一个地堆叠在一起,本垒和二垒之间的线在每一层中都随机指向一个方向。为了准确测量向列性,所有的层都必须对齐。

硒化铁是一种柔软的材料,很容易变形,但是Chen费尽心思将几十层柔软的晶体粘在更硬的铁基超导体--砷化铁钡上,Dai的实验室之前已经证明它可以通过挤压来解压。当实验显示硒化铁层在砷化钡铁被解温时,这种搭便车的做法得到了回报。

在2019年的研究中,Dai、Chen和Lu(Dai的另一位前学生)用非弹性中子散射测量了低能量下的电子自旋行为。在最新的实验中,非弹性X射线散射揭示了高能级的自旋行为。

由于RIXS的穿透深度只有几微米,RIXS光束点可以从硒化铁移动到砷化铁钡,从而使我们能够清楚地区分每一种情况,莱斯大学物理和天文学教授Sam和Helen Worden教授的Dai说。RIXS是对我们在2019年所做的实验的补充,因为它可以探测高能量的自旋激发,但没有分辨率来观察低能量激发。

尽管缺乏磁性排序,但高能实验揭示了一种非常强烈的方向依赖性自旋行为,即自旋各向异性。

北京师范大学物理学教授Lu说:非同寻常的是,我们可以揭示出与已经高度各向异性的砷化钡中的自旋各向异性相当的--如果不是更大的话。这种自旋各向异性随着温度的升高而降低,并在向列过渡温度附近消失--在这个温度下,材料不再处于电子向列状态。

研究人员说,这些结果表明,硒化铁中的向列性是由量子自旋激发驱动的。

该论文的两位理论家之一Si说:这些特征是理论家的梦想,因为它们直接为理论理解提供了信息。另一位是北京人民大学的Rong Yu,他是长期的合作者,也是斯氏小组的前博士后研究员。

我们能够根据余荣和我几年前为硒化铁提出的量子磁性理论模型,对观察到的自旋激发光谱提供一个定性甚至半定量的理解,Si说。由彭程2019年的工作所推动的detwinning努力正在收获果实,其水平是我以前认为不可能的。

它表明,量子磁波动主要负责电子线状体关联的发展,Si说。此外,它在硒化铁中揭示的高能自旋激发证实了其他电子特性,暗示强电子相关效应带来了铁基超导体的高温超导性。

氧态在低价位镍酸盐La4Ni3O8中的作用

作者:Y. Shen, J. Sears, G. Fabbris, J. Li, J. Pelliciari, I. Jarrige, Xi He, I. Božović, M. Mitrano, Junjie Zhang, JF Mitchell, AS Botana, V. Bisogni, MR Norman , S. Johnston 发表于《Physical Review X》

亚利桑那州立大学物理学教授Antia Botana表示,超导的研究充满了失望、死胡同和偶然的发现。

她说:作为理论家,我们在预测新的超导体时通常会失败。然而,在2021年,她经历了她早期职业生涯的高光时刻。她与哈佛大学的实验专家朱莉娅-蒙迪合作,发现了一种新的超导材料--五层镍酸盐。

这是我生命中最美好的时刻之一,博塔纳回忆说。我当时正从西班牙飞回来,我在中转期间收到了Julia Mundy的信息。当我看到电阻率下降到零时--一切烦恼烟消云散。

Botana教授是非常规超导领域最有影响力的理论家之一,特别是在层状镍酸盐中,已经得到了材料和凝聚态物理学界的极大关注,美国国家科学基金会材料研究部的项目主任Serdar Ogut说。我期望她的开创性理论研究,与美国领先的实验者合作,将继续推动边界,导致发现新的超导材料,并发现基本机制,有朝一日为室温超导铺平道路。

超导是一种现象,当电子形成对而不是孤立地旅行时,会排斥所有的磁性,并允许电子旅行而不损失能量。开发室温超导体将允许无损耗的电力传输和更快、更便宜的量子计算机。研究这些材料是凝聚态理论的范畴。

层状镍酸盐的电子相图和结构描述。A:铜酸盐(上)和镍酸盐(下)电子相的示意图。B:Nd6Ni5O16 Ruddlesden-Popper 相(左)和 Nd6Ni5O12 还原方平面相(右)中五层镍酸盐的晶体结构,以相同比例描绘。

我们试图理解所谓的量子材料--在这些材料中,我们在本科学习中所学到的所有经典知识都会崩溃,没有人理解它们为什么会做那些有趣的事情,Botana开玩笑说。

她开始研究镍酸盐,主要是为了更好地理解铜酸盐--1986年首次发现的基于铜氧化物的超导体。30年过去了,在这些材料中产生超导性的机制仍然存在激烈的争议。Botana通过研究那些看起来像铜酸盐的材料来解决这个问题。她说:在周期表上,铜和镍是紧挨着的。这是一件显而易见的事情,所以人们在很长一段时间里一直在寻找镍酸盐,但没有成功。

但是,在2019年,斯坦福大学的一个团队在镍酸盐中发现了超导性,尽管是一个已经被“掺杂”的镍酸盐,或经过化学改变以改善其电子特性。她说:他们在2019年发现的材料是一个更大的家族的一部分,这正是我们想要的,因为它让我们以更好的方式与铜酸盐进行比较。

Botana在2021年的发现建立在这一基础上,使用了一种具有独特的方形平面分层结构的未掺杂镍酸盐形式。她决定研究这种特定形式的镍酸盐--一种稀土、五层、方形平面的镍酸盐--基于直觉。

多年来,我一直在“摆弄”许多不同的材料,这是研究电子结构的人所形成的那种直觉,她说。多年来,我从我的导师那里学会了这一点。

识别另一种形式的超导镍酸盐让研究人员能够弄清镍酸盐之间以及镍酸盐和铜酸盐之间的相似性和差异。到目前为止,研究的镍酸盐越多,它们看起来就越像铜酸盐。

相图似乎很相似。电子配对机制似乎是相同的,但这是一个尚待解决的问题,Botana说。

传统的超导体表现出s波配对--电子可以在任何方向上配对,并且可以坐在彼此的上面,因此波是一个球体。另一方面,镍酸盐可能显示d波配对,这意味着描述配对电子的云状量子波的形状像四叶草。另一个关键区别是,在这些材料中,氧和过渡金属的重叠程度有多强。铜酸盐表现出巨大的“超级交换”--该材料通过含有氧气的途径交换铜原子中的电子,而不是直接交换。Botana及其同事Kwan-Woo Lee, Michael R. Norman, Victor Pardo, Warren E. Pickett在2022年2月的一篇评论文章中描述了其中的一些差异。

聚类精确对角化结果。

在2022年3月的文章中,Botana和来自布鲁克海文国家实验室和阿贡国家实验室的合作者深入研究了低价镍酸盐La4Ni3O8中氧态的作用。利用计算和实验方法,他们将该材料与具有类似电子填充的原型铜酸盐进行了比较。这项工作的独特之处在于它直接测量了镍-氧杂化态的能量。

他们发现,尽管转移电荷需要更多的能量,但镍酸盐保留了相当大的超交换能力。他们的结论是,在解释镍酸盐的特性时,需要考虑“库仑相互作用”(粒子或物体因其电荷而产生的吸引或排斥)和电荷转移过程。

Botana研究的量子现象发生在已知的最小尺度上,只能通过物理实验斜向探测。博塔纳使用计算模拟来进行预测,帮助解释实验,并推断像无限层镍酸盐材料的行为和动力学。她的研究使用密度泛函理论,即DFT--一种通过计算解决描述量子力学系统波函数的薛定谔方程的方法--以及一种更新、更精确的分支,即动态平均场理论,可以处理强相关的电子。

为了进行她的研究,Botana使用德克萨斯高级计算中心(TACC)的Stampede2超级计算机--美国任何大学中第二快的计算机--以及亚利桑那州立大学的机器。即使在世界上最快的超级计算机上,研究量子材料也不是一件简单的事情。

Botana说:“如果我看到一个有太多原子的问题,我会说,我不能研究这个。二十年前,几个原子可能看起来就太多了。” 但更强大的超级计算机使物理学家能够研究更大、更复杂的系统--比如镍酸盐--并增加工具,比如动态平均场理论,可以更好地捕捉量子行为。Botana说,尽管生活在一个发现的黄金时代,但凝聚态物理学领域仍然没有获得它应有的声誉。

如果没有凝聚态物理学的研究,你的手机或电脑也不复存在--从屏幕,到电池,到摄像头。重要的是让公众明白,即使是基础研究,即使研究人员不知道以后会如何使用,这种类型的材料研究也是至关重要的。

量子时间晶体的非线性两级动力学研究

作者:S. Autti、PJ Heikkinen、J. Nissinen、JT Mäkinen、GE Volovik、VV Zavyalov 和 VB Eltsov 发表于《Nature Communications》

科学家们在一个似乎弯曲了物理学定律的实验中创造了第一个“时间晶体”双体系统。

这是在同一个团队最近见证了物质的新阶段的第一次互动之后发生的。长期以来,人们认为时间晶体是不可能的,因为它们是由处于无休止运动的原子构成的。这一发现表明,不仅可以创建时间晶体,而且它们有可能被转化为有用的设备。

时间晶体与标准晶体(如金属或岩石)不同,后者是由原子在空间中以有规律的重复模式排列组成。

时间晶体在2012年由诺贝尔奖获得者弗兰克-威尔切克首次提出理论,并在2016年得到确认,它表现出一种奇怪的特性,即尽管没有外部输入,但在时间上不断地重复运动。它们的原子不断振荡、旋转,或先向一个方向移动,然后再向另一个方向移动。

实验示意图。

来自兰卡斯特大学物理系的主要作者、EPSRC研究员Samuli Autti博士解释说。“大家都知道永动机是不可能的。然而,在量子物理学中,只要我们闭着眼睛,永动机是可以的。通过潜入这个缝隙,我们可以制造时间晶体。”

“事实证明,把两个放在一起效果很好,即使时间晶体一开始就不应该存在。而且我们已经知道它们在室温下也存在。”

“两级系统 ”是量子计算机的一个基本构件。时间晶体可以被用来建造在室温下工作的量子设备。

时间水晶两级系统。

来自兰卡斯特大学、伦敦皇家霍洛威大学、兰道研究所和赫尔辛基阿尔托大学的一个国际研究小组通过使用氦-3观察时间晶体,氦-3是一种缺少一个中子的稀有氦同位素。该实验是在阿尔托大学进行的。

他们将超流体氦-3冷却到距离绝对零度(0.0001 K或-273.15 C)约万分之一的程度。研究人员在超流体内创建了两个时间晶体,并使它们相互接触。然后,科学家们观察到这两个时间晶体按照量子物理学的规律进行互动。


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