能夠延長保留能量的時間，是量子信息發展的一個關鍵目標

2020-09-20 科學之美

延長系統在失去能量到局部環境之前，能夠延緩保留能量的時間是量子信息發展的一個關鍵目標。這個間隔被稱為「相干時間」，已經進行了幾項研究，目的是延緩退相干。巴西聖保羅州坎皮納斯大學Gleb Wataghin物理研究所(IFGW-UNICAMP)的研究人員和國際合作者進行了一項研究，旨在了解飛秒(10-^15 s)時間尺度上的退相干過程，其研究成果發表在了《物理評論快報》期刊上。

在這項研究中，在飛秒時間尺度上觀察到了激子（激發電子）和聲子（晶格中振動能量的量子單位）之間的相互作用。使用具有高時間解析度和光譜解析度的革命性超快光譜技術，是研究成功的基礎，實驗是在低溫下將半導體納米晶體分散在膠體溶液中進行。研究發現，當材料被(光)激發時，它發出的光在200飛秒內改變顏色，這是由於激子和聲子之間的相互作用。

激子將接收的部分能量轉移到晶格上，就會導致頻率的改變，從而改變發射顏色。本研究是第一個觀察到這種現象的，以前從未被觀察到，因為從每個激子轉移到晶格的能量很小，相當於26毫電子伏特(26×10-^3 eV)。這個過程需要很短的時間，持續不到200飛秒(200×10-^15秒)。已經觀察到類似的現象，但由於其他過程，時間尺度要長得多。

研究小組長期研究尺寸在1納米到10納米之間的半導體納米材料，在促進這些材料的生長時出現了一個主要挑戰，因為每個單獨的單元生長不同；因此，在激發後由材料發射的光譜被加寬，各個分量以略微不同的頻率發射，並且發射的顏色不太精確。當單個粒子被隔離時，光譜變窄，但信號檢測被延遲。換句話說，光譜解析度得到了提高，但時間解析度有所損失。

大約五年前，研究人員就開始研究一種技術，可以從一組10~20 nm的粒子中，挑選出幾千個相同粒子組成的子集。這使我們能夠實現非常精細和精確的光譜解析度，以及精細的時間解析度。在這項研究中，在極短的時間內獲得了一組粒子的單粒子光譜解析度。如上所述，這個實驗解決方案使研究人員能夠訪問迄今未知的物理過程，例如超快激子和聲子相互作用。值得一提的是，在凝聚態物理中，聲子是與在晶格中傳播振動量子相關聯的準粒子。

對於所獲得的結果，目前還沒有直接的技術應用，但在不太遙遠的將來，飛秒時間尺度上的物理相互作用知識可以幫助科學家控制材料結構，使激子更長時間地保留來自電或光脈衝的能量，延緩量子系統中的退相干。延長相干性是光學開關和單光子發射器等器件成功的關鍵，實際上，目標是將能源浪費減少到最低限度。當材料改變顏色時，意味著它正在失去能量。研究發現這種損失非常快，這就是本研究想要延緩的。

博科園｜研究/來自：FAPESP

參考期刊《物理評論快報》

DOI: 10.1103/physrevlett.123.057403

博科園｜科學、科技、科研、科普

關注【博科園】看更多大美宇宙科學

交流、探討、學習、科學圈

請下載我們手機軟體：博科園

相關焦點

  • 新技術讓量子位保留信息的時間延長一萬倍
    ；量子計算機則是通過量子位表示量子信息。簡單說，量子位可以是一個雙態量子系統（例如：光子偏振態或電子自旋態等）。關鍵在於，量子位可同時處於「即是0又是1」的狀態。其中，自旋軌道量子位已被研究了十多年，因為它們很容易操縱和長距離耦合，所以可用於擴展量子計算機中量子位數量。但是，它們表現出非常有限的相干時間，對於量子技術而言太短了。創新近期，一支國際科研團隊的努力使得量子位可以更長久地保留量子信息。
  • 在室溫下將量子信息保留超過一秒
    研究人員甚至認為，如果他們改進他們的方法，則可以保存一個半天的時間。量子存儲器使用常規計算機存儲器中信息的最小單位的更為複雜的版本，該位即所謂的量子位，簡稱qubit。儘管該位在任何時間點只能採取兩種可能狀態中的一種（其中一種狀態用「 0」指定，另一種狀態用「 1」表示），但是qubit實際上可以同時採用兩種狀態。
  • 科學家成功讓量子比特相干時間延長一萬倍
    多虧了一個國際研究小組的努力，量子比特(qubits)現在可以更長久地保存量子信息。通過結合軌道運動和原子內部旋轉，研究人員將保持時間(或相干時間)提高到了10毫秒，比之前的記錄長了1萬倍。由於相干時間的延長使得自旋軌道量子位成為製造大型量子計算機的理想對象，因此信息保留能力的提高對信息技術的發展具有重大意義。他們於7月20日在《自然材料》上發表了他們的研究結果。
  • 新技術使量子比特能保存信息的時間比以前的記錄長一萬倍
    新技術使量子比特的信息存儲時間比以前的記錄長10,000倍。來源：東北大學由於國際研究團隊的努力，量子比特或量子比特現在可以保存更長的量子信息。通過結合軌道運動和在原子內部旋轉，研究人員將保留時間或相干時間增加到10毫秒，是以前記錄的10,000倍。信息保留的這種提高對信息技術的發展具有重大意義，因為更長的相干時間使自旋軌道量子位成為構建大型量子計算機的理想候選者。
  • 科學家開出一種方法：可延長電子自旋的壽命，還能保存量子信息
    電子是基本粒子之一，是其他系統的基石，電子具有特定的性質，如自旋或角動量，可以被操縱來攜帶信息，從而為推動現代信息技術的發展做準備。現在一個國際合作的科學家團隊，已經開發出一種方法來延長和穩定電子自旋的壽命，以更有效地攜帶信息。
  • 美能源部公布量子網際網路發展藍圖 包括核心研究目標等
    新華社華盛頓7月27日電（記者譚晶晶）美國能源部日前發布一份報告，公布了量子網際網路發展的戰略藍圖，提出要確保美國處於全球量子競賽的前列，引領通信新時代。這份報告稱，基於量子力學的通信系統是21世紀最重要的技術前沿之一，科學家認為這種通信系統原型將在10年內建成。量子傳輸的一個重要特徵是信息傳輸時難以被竊聽，科學家計劃藉此來建立一個「幾乎不可破解的網絡」。
  • 信息與能量、物質、空間、時間,哪一個更加本源?
    信息是一種序列，序列不是載體。序列信息的基本單元--量子比特的自旋方向決定了宇宙最基本信息的序列組合。DNA則是蛋白質序列組合。總之，信息只是序列。信息與能量、物質、空間、時間，如果排一個座次的話，我認為應該是這樣的：能量>信息>物質>空間-時間能量是最基本的，即使沒有宇宙也有能量。
  • 「麥克斯韋妖」現身量子世界,揭秘能量與信息之間的本質關係
    電腦上每一個比特信息都「價值」 2.75乘10的負21次方焦耳。你在電腦上刪一個字、在本子上擦除一段話、在腦海中忘掉一件事，都至少要耗費這麼多能量。這可不是傳統意義上的電能或化學能，而是在宇宙中消除信息所消耗的最小閾值。有沒有想過，在某種層面上，你能把電腦上一行行字符轉化為發光發熱的能量。隨著資訊時代的到來，這一概念對於飛速發展的量子計算技術有著深刻的理論意義。
  • 第三次量子革命：信息與能量之間的「熱功信息當量關係」的重要發現
    二十一世紀以來，現代量子信息技術的發展可謂突飛猛進，一日千裡。這種「技術爆炸、知識爆炸、信息爆炸、認知爆炸」的狀況讓生活在網際網路信息社會中的人們眼花繚亂，三觀顛覆，認知短路，常識盡毀。一個偉大的時代已經來臨，一個神性的時代已經來臨，一個「三體」映射的時代已經來臨！
  • 新方法使量子系統穩定時間延長10000倍
    芝加哥大學普利茲克分子工程學院的一組科學家宣布發現了一種簡單的修改方法，該方法可以使量子系統保持運轉（或「相干」）的時間比以前延長了10,000倍。雖然這種技術是在一種特定量子系統上測試的，但他們認為該技術可以適用於許多其他種類的量子系統，從而可能徹底改變量子通信，計算和傳感。
  • 科學家加強了裡程碑式量子計算機規模增長的關鍵的自旋軌道量子位
    一組國際科學家已經大大延長了矽中自旋軌道量子位可以保留量子信息的時間，從而開闢了一條新途徑，使矽量子計算機更具可擴展性和功能性。自旋軌道量子位已被研究了十多年，作為擴展量子計算機中量子位數量的一種選擇，因為它們很容易操縱和長距離耦合。
  • 量子生命:人類細胞攜帶作為靈魂存在的量子信息
    這是一個極為基本的問題，同時又是一個極為重要和極具關鍵意義的問題，然而又是一個極其敏感且極易引起爭議的問題。幾千年來，自從人類文明以來，這一直是人們關心的重要問題。幾千年來世界上幾乎所有的宗教、思想流派等也都是圍繞著這個基本命題來展開。
  • 量子信息科學發展展望(2017 郭光燦 韓永建 史保森撰寫)
    基於量子力學基本原理，採用Shor算法可以在多項式時間內實現大數因式分解（而在經典算法中迄今未能發現多項式算法，甚至有人認為這樣的算法根本不存在），這直接威脅到了人們廣泛使用的RSA 公鑰密碼體系的安全性，從那之後人們開始致力於構建量子計算機和開展新型密碼系統的研究。隨著20多年的深入研究，量子信息科學已經發展成為一個多學科交叉，對國家安全、國防軍事、產業經濟等領域都具有潛在顛覆性作用的研究方向。
  • 中國信通院量子信息技術發展與應用研究報告(2020年)
    （一）構建量子信息網絡是量子通信發展遠期目標量子信息網絡基於 QT 實現未知量子態信息的傳輸和組網。收發雙方首先通過糾纏光子對 A、B 的製備與分發，即量子糾纏分發，構建量子通信信道。之後發送方將包含未知量子態信息的光子 X 與糾纏光子 A 進行貝爾態聯合測量，並通過經典通信信道告知接收方測量結果。
  • 量子計算發展歷程_量子計算與量子信息 計算部分 - CSDN
    量子計算機使用兩態量子系統比如電子的自旋、光的偏振等作為量子比特（qubit），由於量子態疊加原理能夠同時表示 0 和 1。量子比特較經典比特具有更多信息，且呈冪指數級別增加。物理比特位數表示量子計算機能夠表示的信息的規模，可與經典計算機中的存儲器容量相對應。物理比特位數越大，表明量子計算機能夠表示的信息規模越大、性能越好。量子線路的可達深度表示量子計算機的計算能力。當線路的深度超過量子計算機最大可達深度時，就會出現錯誤。
  • 研究| 量子測量技術發展與關鍵問題剖析
    文 | 中國信息通信研究院技術與標準研究所工程師 張萌 隨著物聯網、車聯網、遠程醫療等新興技術研究的持續升溫，超高精度低成本的傳感器、生物探針、導航器件等關鍵器件的需求量迅速增長。
  • 量子計算正從"玩具"變成"工具"未來如何發展?
    30多年前，在科學家們對量子疊加、量子糾纏等量子力學基本問題的研究過程中，精細的量子調控技術逐漸發展起來，使得人類從對量子規律的被動觀測跨越到對量子狀態的主動精確操縱，由此我們現在所說的「量子科技」便誕生了。　　量子科技是融合量子調控和信息技術而產生的新興學科。在這一領域，我國已經取得了一系列重要科學問題和關鍵核心技術突破，並在部分方向實現國際領先。
  • 能量守恆、能量時間守恆、量子力學
    量子計算，指的是能夠實現量子比特（qubits）或量子疊加態（quantumstate）的算法。理解量子比特的表達式：(x(e),x(t))其中x是可觀測量，可以是在區間某種有限範圍內時間的函數；x是某種態矢量。比如說，對於體積微粒子就是體積夸克，對於空間一條長直線就是位置矢量。以一維雷射為例，描述或者疊加態的態矢量由一個量子比特的位置和動量決定。然而，量子力學的世界仍然存在量子概率概念。
  • 潘建偉:量子計算正從玩具變成工具 未來如何發展?
    潘建偉：量子計算研究是一個高度複雜的工作，對於學術界而言，還是要循序漸進，實現一個個階段性的目標。國際學術界公認的量子計算發展有幾個裡程碑階段—— 第一個裡程碑是實現量子計算優越性，即量子計算機對特定問題的計算能力超越超級計算機，這需要相干操縱約50個量子比特。
  • 量子糾纏包治百病,能量金字塔又是一個中國神話
    王哥不是一個偽科學家，沒有給能量帽附加什麼連接外星人、開天眼亂七八糟的超能力。 他是一個金字塔能量的信奉者，一個流落俗世的修行者。 溫馨提示：由於造型原因，能量帽不能助你渡雷劫，打雷時最好待在室內。