研究称奇特的新材料或是两种超导体的结合体 具有重要的量子计算用途

1. 研究称奇特的新材料或是两种超导体的结合体 具有重要的量子计算用途

  麻省理工学院的物理学家们在该团队大约一年前才合成的一种新材料中展示了一种奇特的超导形式。 尽管在20世纪60年代就已经预测到了，但直到现在这种类型的超导性已经被证明很难稳定下来。此外，科学家们发现同样的材料有可能被操纵来表现出另一种同样奇特的超导性形式。
      这项工作在2021年11月3日的《自然》杂志上报道。
   在一种被称为天然超晶格的层状晶体中展示有限动量超导性意味着这种材料可以被调整，以便在同一样品中创造不同的超导模式。而这反过来又可能对量子计算等产生影响。
   该材料也有望成为探寻非常规超导体秘密的重要工具。这可能对新的量子技术有用。设计这种技术是具有挑战性的，部分原因是它们所组成的材料可能难以研究。这种新材料可以简化这种研究，因为除其他外，它相对容易制造。
   "我们研究的一个重要主题是新的物理学来自于新的材料，"这项工作的主要研究者Joseph Checkelsky说。“我们去年的初步报告是关于这种新材料的。这项新工作报告了新的物理学。”
      新的量子材料
   经典物理学可以用来解释支撑我们世界的任何数量的现象--直到事情变得非常小。像电子和夸克这样的亚原子粒子的行为是不同的，其方式仍未被完全理解。进入量子力学，这个领域试图解释它们的行为和产生的影响。
   Checkelsky及其同事发现了一种新的量子材料，或者说在宏观尺度上表现出量子力学的奇异特性的材料。在这种情况下，有关的材料是一种超导体。
   Checkelsky解释说，最近有一个实现特殊超导体的热潮，这些超导体是二维的，或者只有几个原子层厚。这些新的超薄超导体引起了人们的兴趣，部分原因是它们有望给人们带来对超导性本身的深入了解。
   但是也有挑战。首先，只有几个原子层厚的材料本身就很难研究，因为它们是如此精细。能否有另一种方法来揭开它们的秘密？
      Checkelsky及其同事制造的新材料可以被认为是相当于一个层状蛋糕的超导材料，其中一层是超导材料的超薄薄膜，而下一层是保护它的超薄间隔层。将这些层层叠加在一起，就会形成一个大的晶体（当硫、铌和钡的组成元素一起加热时，这种情况自然会发生）。"而那个宏观晶体，我可以拿在手里，表现得像一个二维超导体。这是非常令人惊讶的，"Checkelsky说。
   科学家们用来研究二维超导体的许多探针，在原子级薄的材料上使用是具有挑战性的。Checkelsky说，由于这种新材料如此之大，“我们现在有更多的工具（来表征它）”。事实上，对于目前论文中报告的工作，科学家们使用了一种需要大量样品的技术。
      奇特的超导体
   超导体以一种特殊的方式携带电荷。电荷不是通过一个电子携带，而是由两个电子结合在一起，即所谓的库珀对。然而，并非所有的超导体都是一样的。一些不寻常的超导形式只有在库珀对能够不受阻碍地在材料中跨越相对较长的距离时才能出现。距离越长，材料就越"干净"。
   Checkelsky团队的材料是非常干净的。因此，物理学家们很想知道它是否会表现出一种不寻常的超导状态，而它确实如此。在目前的论文中，该团队表明，他们的新材料在施加磁场时是一种有限动量的超导体。这种特殊的超导性是在20世纪60年代提出的，一直吸引着科学家。
   虽然超导性通常会被适度的磁场破坏，但有限动量的超导体可以通过形成具有大量库珀对的区域和没有库珀对的区域的规则模式而进一步持续下去。事实证明，随着库珀对在被称为朗道级的量子力学轨道之间的移动，这种超导体可以被操纵来形成各种不寻常的模式。Checkelsky说，这意味着，科学家们现在应该能够在同一种材料中创造出不同的超导模式。
   “这是一个引人注目的实验，它能够证明库珀对在超导体的朗道级之间移动，这是以前从未被观察到的。坦率地说，我从来没有预料到会在一个你可以拿在手里的晶体中看到这一点，所以这非常令人兴奋。”为了观察这种难以捉摸的效应，作者不得不对他们之前发现的一种独特的二维超导体进行艰苦的、高精度的测量。康奈尔大学物理学教授Kyle Shen说：“这是一个了不起的成就，不仅在其技术难度上，而且在其聪明程度上。”
   此外，物理学家们意识到，他们的材料还具有另一种奇特的超导性的成分。拓扑超导性涉及电荷沿边缘或边界的移动。在这种情况下，电荷可以沿着每个内部超导图案的边缘移动。
   Checkelsky团队目前正在努力研究他们的材料是否确实能够实现拓扑超导性。如果是这样，“我们能不能把这两种新的超导类型结合起来？那会带来什么？” Checkelsky问道。
   他总结说：“实现这种新材料是一件非常有趣的事情。当我们深入了解它能做什么的时候，已经有很多惊喜了。当新的东西出现在我们意想不到的地方时，这真的很令人兴奋。”

2. 奇异的新材料可以将两个超导体合二为一具有重要量子计算应用

麻省理工学院的物理学家和同事们在大约一年前合成的一种新材料中展示了一种奇异的超导形式。尽管在 1960 年代预测，但直到现在这种类型的超导性已被证明难以稳定。此外，科学家们发现，同样的材料可能会被操纵以表现出另一种同样奇特的超导形式。 
  
  这项工作发表在 2021 年 11 月 3 日的《   自然   》杂志   上   。 
  
  在称为自然超晶格的层状晶体中展示有限动量超导性意味着可以调整材料以在同一样品中创建不同的超导模式。反过来，这可能会对量子计算等产生影响。 
  
  该材料也有望成为 探索 非常规超导体秘密的重要工具。这可能对新的量子技术有用。设计此类技术具有挑战性，部分原因是它们的组成材料难以研究。新材料可以简化此类研究，因为除其他外，它相对容易制造。 
  
  “我们研究的一个重要主题是新物理学来自新材料，”这项工作的首席首席研究员兼三井职业发展物理学副教授约瑟夫·切克尔斯基说。“我们去年的初步报告是关于这种新材料的。这项新工作报告了新物理学。” 
  
  经典物理学可用于解释构成我们世界基础的任意数量的现象——直到事物变得非常小。像电子和夸克这样的亚原子粒子的行为方式不同，其方式仍未完全了解。进入量子力学，该领域试图解释它们的行为和由此产生的影响。 
  
  Checkelsky 及其同事发现了一种新的量子材料，或一种在宏观尺度上表现出量子力学奇异特性的材料。在这种情况下，所讨论的材料是超导体。 
  
  Checkelsky 解释说，最近出现了一种实现二维或只有几个原子层厚的特殊超导体的热潮。这些新的超薄超导体之所以引起人们的兴趣，部分原因是它们有望深入了解超导本身。 
  
  但也存在挑战。一方面，只有几个原子层厚的材料本身很难研究，因为它们非常脆弱。是否有另一种方法可以挖掘他们的秘密？ 
  
  Checkelsky 及其同事制造的新材料可以被认为是层饼的超导等效物，其中一层是超导材料的超薄膜，而下一层是保护它的超薄间隔层。将这些层一层一层地堆叠在一起会产生一个大晶体（当硫、铌和钡的组成元素一起加热时，这自然发生）。“我可以握在手中的那个宏观晶体就像一个二维超导体。这非常令人惊讶，”Checkelsky 说。 
  
  科学家用来研究二维超导体的许多探针在原子级薄材料上使用具有挑战性。因为新材料太大了，“我们现在有更多的工具[来表征它]，”Checkelsky 说。事实上，对于当前论文中报告的工作，科学家们使用了一种需要大量样本的技术。 
  
 
  
     
  超导体以一种特殊的方式携带电荷。电荷不是通过一个电子，而是由两个电子以所谓的库珀对结合在一起来携带的。然而，并非所有的超导体都是一样的。一些不寻常的超导形式只有在库珀对可以在相对长的距离内不受阻碍地穿过材料时才会出现。距离越长，材料越“干净”。 
  
  Checkelsky 团队的材料非常干净。结果，物理学家很高兴看到它是否可能表现出不寻常的超导状态，而事实确实如此。在目前的论文中，该团队表明他们的新材料是施加磁场的有限动量超导体。这种在 1960 年代提出的特殊超导性一直令科学家着迷。 
  
  虽然超导性通常会被适度的磁场破坏，但有限动量超导体可以通过形成具有大量库珀对和没有库珀对的区域的规则模式来进一步持续。事实证明，当库珀对在被称为朗道能级的量子力学轨道之间移动时，这种超导体可以被操纵以形成各种不寻常的模式。这意味着，Checkelsky 说，科学家们现在应该能够在同一种材料中创造出不同的超导模式。 
  
  “这是一项引人注目的实验，能够证明库珀对在超导体中的朗道能级之间移动，这是以前从未观察到的。坦率地说，我从没想过会在你可以握在手中的水晶中看到它，所以这非常令人兴奋。为了观察这种难以捉摸的效果，作者必须对他们之前发现的独特二维超导体进行艰苦的高精度测量。这是一项了不起的成就，不仅体现在技术难度上，还体现在其巧妙之处，”康奈尔大学物理学教授凯尔沉说。沉没有参与这项研究。 
  
  此外，物理学家们意识到他们的材料还具有另一种奇异的超导性的成分。拓扑超导涉及电荷沿边缘或边界的移动。在这种情况下，电荷可以沿着每个内部超导图案的边缘传播。 
  
  Checkelsky 团队目前正在研究他们的材料是否确实具有拓扑超导性。如果是这样，“我们可以将两种新型超导性结合起来吗？那能带来什么？” 切克尔斯基问道。 
  
  “实现这种新材料非常有趣，”他总结道。“当我们深入了解它可以做什么时，出现了许多惊喜。当出现我们意想不到的新事物时，真的很令人兴奋。”

3. 中科大在量子领域获得新的突破，外国人：中国科技领先世界

中国在量子领域做出突破，从追随者变成引领者，全世界瞩目！

4. 中国科研团队实现20个超导量子全局纠缠，这会给我们带来什么？

量子计算的成功依赖于纠缠大规模系统的能力。研究人员开发了各种各样的平台，其中以超导量子比特和捕获原子为基础的架构是最先进的。

在这样的量子系统上证明纠缠的可控生成和检测是大规模量子处理器发展的重要方向。
然而，在完全可控和可扩展的量子平台上生成和验证多比特量子纠缠态仍然是一个突出的挑战。
本研究报告了在一个量子处理器上生成18比特的全局纠缠的GHZ态，以及20比特的薛定谔猫态。
通过设计单轴扭曲哈密顿量，量子比特系统一旦初始化，就会连贯地演化为多分量原子薛定谔猫态 - 即原子相干态的叠加，包括 GHZ 态在预期的特定时间间隔的叠加。

研究人员表示，这种在固态平台上的方法不仅可以激发人们对探索量子多体系统基础物理的兴趣，而且还能促进量子计量和量子信息处理的实际应用的发展。
中国科研团队在量子计算领域再次创造世界纪录！浙江大学、中科院物理所、中科院自动化所以及北京计算科学研究中心等国内单位合作，开发出具有20个超导量子比特的量子芯片，并成功实现对其操控及全局纠缠！
又一项世界纪录！
继去年潘建伟团队实现18个光量子比特纠缠后，近日，由浙江大学、中科院物理所、中科院自动化所、北京计算科学研究中心等国内单位共同合作，再次在量子计算领域刷新了又一项世界纪录——开发了具有20个超导量子比特的量子芯片，并成功操控，实现了全局纠缠！
这一重磅成果刊登在了国际顶级杂志《Science》。

这项工作有多厉害？
只需要在短短187纳秒之内（相当于人眨眼所需时间的百万分之一），20个人造原子从“起跑”时的相干态，历经多次“变身”，最终形成同时存在两种相反状态的纠缠态。正如人民日报所评论：操控这些量子比特生成全局纠缠态，标志着团队能够真正调动起这些量子比特。这“璀璨”的187纳秒，见证了人类在量子计算的研究道路上又迈进了一步。

5. 罕见的超导体被发现 可能对量子计算的未来至关重要

  由肯特大学和STFC卢瑟福-阿普尔顿实验室领导的研究已经发现了一种新的稀有拓扑超导体--LaPt3P。这一发现可能对量子计算机的未来运行具有巨大的意义。 超导体是重要的材料，当冷却到一定温度以下时能够无阻力地导电，这使得它们在一个需要减少能源消耗的 社会 中非常受欢迎。
      它们在日常物品的规模上表现出量子特性，使它们成为建造使用量子物理学存储数据和执行计算操作的计算机的极具吸引力的候选者，甚至在某些任务中可以大大超过最好的超级计算机。因此，像Google、IBM和微软这样的领先 科技 公司对使用超导体在工业规模上制造量子计算机的需求越来越大。
   然而，量子计算机的基本单元：量子位（qubits）是非常敏感的，由于电磁场、热量和与空气分子的碰撞，它们会失去其量子特性。通过使用一类特殊的超导体，即拓扑超导体，可以实现对这些因素的保护，拓扑超导体除了是超导体之外，还在其边界或表面上承载着受保护的金属态。如通过μ子自旋弛豫实验和广泛的理论分析新发现的LaPt3P，是非常罕见的，对未来的量子计算产业具有巨大的价值。
   为了确保其特性与样品和仪器无关，在华威大学和苏黎世联邦理工学院制备了两套不同的样品。然后在两种不同类型的μ介子设施中进行了μ介子实验：在STFC卢瑟福阿普尔顿实验室的ISIS脉冲中子和μ介子源和瑞士的PSI。
   肯特大学物理科学学院Leverhulme早期职业研究员兼首席研究员Sudeep Kumar Ghosh博士说："拓扑超导体LaPt3P的发现在量子计算领域具有巨大的潜力。发现这样一种罕见的、令人向往的成分，表明了μ介子研究对我们周围的日常生活的重要性。"

6. 华人科学家领衔团队找到"天使粒子" 这一突破有何重大意义

天使粒子的发现意味着量子计算已成为可能。
量子世界本质上是平行的，一个量子粒子能够同时穿过两个狭缝。量子计算机能够进行高度并行的计算，远比经典计算机有效。
天使粒子一般指马约拉纳费米子。
马约拉纳费米子（英语：Majorana fermion）是一种费米子，它的反粒子就是它本身。与此相反，狄拉克费米子（Dirac fermion）则是指反粒子与自身不同的费米子。