Квантовые достижения

Квантовый твистирующий микроскоп: новый взгляд на квантовые материалы

Научный институт Вейцмана в Израиле разработал новый инструмент, использующий квантовую природу электронов для создания квантовых материалов с беспрецедентными функциональными возможностями. Квантовый крутящий микроскоп (ККТМ) вращает два атомарно тонких слоя материала относительно друг друга, обеспечивая новый взгляд на самую фундаментальную квантовую природу электронов. Команда смогла непосредственно наблюдать квантовые электронные волны, что ранее было затруднительно из-за малых размеров. QTM содержит плоский слой квантового материала, который заменяет атомарно острый наконечник сканирующего туннельного микроскопа. При контакте этого слоя с поверхностью интересующего образца образуется двумерный интерфейс, через который электроны могут туннелировать во многих различных местах. Интерференция позволяет электрону туннелировать только в том случае, если его волновые функции по обе стороны интерфейса точно совпадают. QTM позволяет непрерывно скручивать любые два материала относительно друг друга, создавая бесконечный ряд новых материалов, и одновременно превращается в очень мощный микроскоп.

Квантовые достижения

Квантовый мир поражает тем, что частица, такая как электрон, также является волной, то есть она может существовать во многих местах одновременно. QTM предполагает «скручивание» или вращение двух атомарно тонких слоев материала относительно друг друга, создавая новые квантовые материалы и одновременно наблюдая за самой фундаментальной квантовой природой их электронов. Помещение двух слоев графена, кристаллических листов углерода толщиной в один атом, один на другой с небольшим углом относительного скручивания приводит к созданию «сэндвича» с неожиданными новыми свойствами. Угол закручивания имеет решающее значение для управления поведением электронов, и его изменение на одну десятую градуса может превратить материал из экзотического сверхпроводника в нетрадиционный изолятор.

Квантовые достижения

Первоначальной мотивацией Института Вейцмана для создания QTM было решение проблемы закручивания двух слоев на новый угол, что является долгим и утомительным процессом. Команда обнаружила, что машину можно превратить в мощный микроскоп, способный видеть квантовые электронные волны в невообразимых ранее формах. Это возможно путем одновременного обнаружения одного и того же электрона в разных местах, подобно знаменитому эксперименту с двумя щелями, который был использован сто лет назад для доказательства того, что электроны в квантовой механике имеют волновую природу.

Квантовые достижения

QTM заменяет атомарно острый наконечник сканирующего туннельного микроскопа на наконечник, содержащий плоский слой квантового материала, например, один слой графена. Когда этот слой вводится в контакт с поверхностью интересующего образца, он образует двумерный интерфейс, через который электроны могут туннелировать во многих различных местах. Квантово-механически они туннелируют во всех местах одновременно, и события туннелирования в разных местах интерферируют друг с другом. Эта интерференция позволяет электрону туннелировать только в том случае, если его волновые функции по обе стороны интерфейса точно совпадают.

Квантовые достижения

В заключение следует отметить, что квантовый микроскоп – это новый инструмент, разработанный в Институте науки Вейцмана, который использует квантовую природу электронов для создания квантовых материалов с беспрецедентными функциональными возможностями. QTM вращает два атомарно тонких слоя материала относительно друг друга, создавая новые квантовые материалы и одновременно наблюдая за самой фундаментальной квантовой природой их электронов. Машина также может быть превращена в мощный микроскоп, способный непосредственно наблюдать квантовые электронные волны, обеспечивая новый взгляд на квантовый мир.

Weizmann Institute of Science

Это интересно!

САМЫЙ МОЩНЫЙ МИКРОСКОП В МИРЕ. КАК УВИДЕТЬ ВИРУС, АТОМЫ? • Квантовые достижения

Фантастические снимки, сделанные электронным микроскопом • Квантовые достижения

Кротовая нора на квантовом компьютере. Термометр для клетки. ГАМК и обучение. Новости QWERTY 239 • Квантовые достижения

Да будет (управляемый) свет

Ожидается, что квантовые вычисления в самом ближайшем будущем произведут революцию в вычислительной технике: появятся новые подходы к поиску в базах данных, системы искусственного интеллекта, симуляции и многое другое. Но для достижения таких новых приложений квантовых технологий необходимы фотонные интегральные схемы, которые могут эффективно управлять фотонными квантовыми состояниями – так называемыми кубитами. Физики из Центра имени Гельмгольца в Дрездене-Россендорфе (HZDR), Технического университета Дрездена и Института кристаллов Лейбница (IKZ) впервые продемонстрировали контролируемое создание однофотонных эмиттеров в кремнии на наноуровне, о чем они сообщают в журнале Nature Communications. Это достижение может проложить путь к новой эре фотонных квантовых технологий с технологией изготовления, совместимой с очень масштабной интеграцией.

Сила фотонных интегральных схем (ФИС)

Фотонные интегральные схемы, или ФИС, – это революционная технология, использующая частицы света, более известные как фотоны, в отличие от электронов, которые работают в электронных интегральных схемах. Основное различие между ними заключается в том, что фотонные интегральные схемы обеспечивают функции для информационных сигналов, наложенных на оптические длины волн, обычно в ближней инфракрасной области спектра. Благодаря множеству интегрированных фотонных компонентов, эти PIC могут генерировать, направлять, обрабатывать и обнаруживать свет на одном чипе. Эта модальность способна сыграть ключевую роль в будущих технологиях, таких как квантовые вычисления. Поэтому ожидается, что ПОС сыграют решающую роль в разработке новых приложений квантовых технологий.

От случайного к управляемому режиму: ключ к раскрытию полного потенциала PIC

Монолитная интеграция однофотонных источников в управляемом режиме обеспечит ресурсосберегающий путь для реализации миллионов фотонных кубитов в ПОС. Для выполнения протоколов квантовых вычислений эти фотоны должны быть неразличимы. Существующий метод изготовления препятствует совместимости этой многообещающей концепции с современной полупроводниковой технологией. Однако в результате значительного прорыва исследователи смогли создать одиночные фотоны на кремниевой пластине контролируемым и масштабируемым способом. Сфокусированные ионные пучки из источников ионов жидкого металлического сплава используются для размещения однофотонных эмиттеров в желаемых местах на пластине, получая при этом высокий выход создания и высокое спектральное качество.

В дополнение к этому прорыву ученые подвергли те же однофотонные эмиттеры строгой программе тестирования материалов. После нескольких циклов охлаждения и разогрева они не наблюдали ухудшения оптических свойств. Эти результаты отвечают предпосылкам, необходимым для последующего массового производства.

Будущее PICs в квантовой фотонике

Реализация контролируемого изготовления однофотонных эмиттеров в кремнии делает их весьма перспективным кандидатом для фотонных квантовых технологий, причем способ изготовления совместим с очень масштабной интеграцией. Эти однофотонные излучатели теперь технологически готовы к производству на полупроводниковых заводах и включению в существующую телекоммуникационную инфраструктуру.

В заключение следует отметить, что PICs – это перспективная технология, которая может произвести революцию во многих областях, включая квантовые вычисления. Однако, чтобы полностью раскрыть их потенциал, однофотонные излучатели должны быть интегрированы контролируемым образом. Недавний прорыв в контролируемом создании однофотонных эмиттеров в кремнии на наноуровне открывает перспективный путь к реализации фотонных квантовых технологий в больших масштабах.

Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf

Как КУБИТЫ изменяют мир. Детальный разбор КВАНТОВОГО КОМПЬЮТЕРА • Да будет (управляемый) свет

Что такое кубит? Душкин объяснит • Да будет (управляемый) свет

Заря глобальной квантовой информационной сети

Концепция создания всемирной квантовой информационной сети существует уже около 25 лет. Идея зародилась благодаря физикам-теоретикам из Университета Инсбрука, которые впервые представили концепцию передачи квантовой информации на большие расстояния с помощью квантовых повторителей. Сегодня новая группа исследователей из того же университета добилась значительных успехов в этой области, разработав узел квантового повторителя для стандартной длины волны телекоммуникационной сети. Они успешно передают квантовую информацию на десятки километров, что знаменует собой необычайный скачок в технологиях квантовой связи.

Понимание квантовых сетей и их потенциала

Чтобы в полной мере оценить этот прорыв, необходимо понять принцип и потенциал квантовых сетей. По сути, квантовые сети соединяют квантовые процессоры или квантовые датчики. Такое соединение облегчает безопасную, защищенную от прослушивания связь и развитие высокопроизводительных распределенных сенсорных сетей. Квантовая информация передается между узлами сети с помощью фотонов, проходящих через оптические волноводы.

Проблемы передачи квантовой информации на большие расстояния

Хотя эти сети обладают огромным потенциалом, передача квантовой информации на большие расстояния представляет собой серьезную проблему. С увеличением расстояния резко возрастает вероятность потери фотонов. Это очень важный вопрос, поскольку квантовая информация не может быть воспроизведена и усилена, как классические данные. Более двух десятилетий назад Ханс Бригель, Вольфганг Дюр, Игнасио Цирак и Петер Цоллер, работавшие в то время в Университете Инсбрука, предложили решение – квантовый повторитель.

Сложная конструкция квантовых повторителей

Квантовые повторители работают благодаря сложной архитектуре, включающей источники запутывания света и материи и системы памяти. Эти компоненты используются для генерации запутанности в независимых сетевых каналах. Затем процесс, известный как обмен запутанностью, соединяет эти запутанные пары, позволяя распространять запутанность на большие расстояния. Этот новаторский проект стал основой для последующих достижений в этой области.

Пионерский успех квантовых повторителей

Группа квантовых физиков под руководством Бена Лэньона с кафедры экспериментальной физики Инсбрукского университета добилась значительных успехов в реализации концепции квантового повторителя. Они разработали основные части квантового повторителя – полностью функциональный сетевой узел, созданный из двух систем единой материи. Этот узел способен обеспечить создание запутанности с помощью фотона на стандартной частоте телекоммуникационной сети и выполнять операции по обмену запутанностью.

Более пристальный взгляд на квантовый узел-ретранслятор

Узел повторителя состоит из двух ионов кальция, пойманных в ионную ловушку внутри оптического резонатора, наряду с преобразованием одного фотона в телекоммуникационную длину волны. Используя эту установку, ученые успешно передали квантовую информацию по оптическому волокну длиной 50 километров. Квантовый повторитель был стратегически расположен на полпути между начальной и конечной точкой. Это достижение открыло дверь к новым возможностям в сфере передачи квантовой информации.

Будущее передачи квантовой информации

Исследователи не остановились на достигнутом, но также спрогнозировали возможные усовершенствования этой конструкции. Их расчеты показали, что при определенных усовершенствованиях может быть достигнута передача информации на расстояние более 800 километров. Это позволило бы установить квантовую связь между Инсбруком и Веной. Эти результаты представляют многообещающее будущее для передачи квантовой информации, приближая создание глобальной квантовой информационной сети.

Принадлежность к Альянсу квантового интернета

Команда Лэньона является частью международной инициативы, известной как Альянс квантового интернета, который входит в более широкий проект Европейского союза Quantum Flagship. Этот альянс представляет собой коллективные усилия квантовых ученых, исследователей и организаций со всего мира, работающих над общей целью – ускорить развитие квантовых технологий и способствовать их интеграции в общество. Это коллективное стремление и значительное финансирование жизненно важны для продвижения вперед этих революционных исследований.

Изучение концепции глобальной квантовой информационной сети

ари исследования вперед.
Концепция глобальной квантовой информационной сети – это не просто плод научного воображения, а технологическое достижение, к которому мир неуклонно движется. Предполагается, что эта глобальная сеть соединит различные уголки мира, обеспечивая защищенную от прослушивания связь и способствуя созданию высокопроизводительных распределенных сенсорных сетей. Последствия этого обширны: от повышения безопасности связи и вычислительных возможностей до продвижения научных исследований и разработок.

Влияние на телекоммуникационные сети

Включение узла квантового ретранслятора в стандартную длину волны телекоммуникационных сетей является важным достижением. Оно не только подтверждает потенциал квантовых технологий для интеграции с существующими инфраструктурами, но и предсказывает трансформационное будущее для телекоммуникаций. Этот прорыв также подчеркивает жизнеспособность передачи квантовой информации на большие расстояния, что является значительным шагом в реализации квантового интернета.

Использование квантовых технологий для безопасной связи

В эпоху, когда утечки данных и киберугрозы становятся все более распространенными, обещание квантовых сетей для защищенной коммуникации является бесценным. Эти сети используют принципы квантовой механики, в частности квантовую запутанность, для обеспечения безопасной передачи данных. Нарушение любой части передачи данных нарушит запутанность, мгновенно оповещая систему о возможном подслушивании.

Перспективы высокопроизводительных распределенных сенсорных сетей

Помимо безопасной связи, квантовые сети также имеют большие перспективы для высокопроизводительных распределенных сенсорных сетей. Эти сети могут произвести революцию во множестве отраслей, от мониторинга окружающей среды и здравоохранения до национальной безопасности и освоения космоса. Используя свойства, присущие квантовой механике, такие сенсорные сети могут измерять переменные с беспрецедентной точностью, облегчая анализ данных в реальном времени в больших масштабах.

Раскрытие потенциала квантовых повторителей

Создание квантового повторителя – ранее теоретической концепции – предвещает новую эру в квантовых технологиях. Будучи важнейшим компонентом квантовой передачи информации на большие расстояния, квантовые повторители могут революционизировать способы передачи и получения данных, прокладывая путь к безопасному и эффективному квантовому интернету. Более того, потенциал передачи квантовой информации на расстояние более 800 километров открывает огромные возможности для расширения квантовой информационной сети.

Будущие перспективы передачи квантовой информации

Текущие результаты и продолжающиеся исследования в области передачи квантовой информации дают оптимистичный прогноз на будущее квантовых технологий. Возможность передачи квантовой информации на расстояние 800 километров будет не только технологическим чудом, но и скачком к созданию глобальной квантовой информационной сети.

Заключение

Квантовая революция идет полным ходом. Прогресс, достигнутый командой Университета Инсбрука в создании узла квантового ретранслятора и передаче квантовой информации на десятки километров, подтверждает концепцию глобальной квантовой информационной сети. Потенциальные последствия этой технологии, от безопасной связи до высокопроизводительных распределенных сенсорных сетей, являются преобразующими. По мере продвижения в квантовую эру, объединение исследований, финансирования и глобального сотрудничества, примером которого является Альянс квантового интернета, будет продолжать продвигать этот рубеж науки и техники к беспрецедентным горизонтам.

University of Innsbruck

Квантовые технологии: Новый рассвет для моделирования сложных систем

Сложные системы окружают нас повсюду, органично вплетаясь в нашу повседневную рутину и процессы принятия решений. Эти системы, от колебаний на финансовых рынках до тщательно продуманных транспортных сетей, определяют значительную часть нашей повседневной жизни. Однако точное прогнозирование их поведения и соответствующее реагирование требуют хранения и обработки огромных объемов информации. Эта необходимость представляет собой серьезную проблему для современных моделей искусственного интеллекта, которым для оптимальной работы требуется все больший объем памяти. Растущая потребность в памяти в конечном итоге становится узким местом, заставляя искать нежелательный компромисс между стоимостью памяти и точностью прогнозирования.

Группа исследователей из престижных институтов мира, включая Манчестерский университет, Университет науки и технологий Китая (USTC), Центр квантовых технологий (CQT) Национального университета Сингапура и Наньянский технологический университет (NTU), предложила радикальное решение. Их идея? Использовать неиспользованный потенциал квантовых технологий, чтобы компенсировать компромисс между стоимостью памяти и точностью.

Использование квантовых технологий для моделирования сложных систем

С помощью квантовых технологий исследователям удалось значительно снизить требования к памяти для моделирования сложных систем. Применяя квантовые модели, они смогли смоделировать целый ряд сложных процессов, используя всего один кубит памяти – фундаментальную единицу квантовой информации.

В отличие от обычных моделей, которые требуют увеличения объема памяти по мере добавления данных о прошлых событиях, квантовые модели могут обходиться одним кубитом памяти, что делает их значительно более эффективными. Эта разработка, недавно опубликованная в уважаемом журнале Nature Communications, знаменует собой важнейшее достижение в применении квантовых технологий для моделирования сложных систем.

Меньше – значит больше: Подход к квантовой памяти

Руководитель проекта, доктор Томас Эллиотт, научный сотрудник Манчестерского университета имени Дамы Кэтлин Оллереншоу, предлагает ценный взгляд на этот революционный подход. По словам доктора Эллиотта, проект отклоняется от традиционной направленности квантовых преимуществ, которая вращается вокруг способности квантовых компьютеров ускорять вычисления. Вместо этого, подход команды направлен на использование квантовых компьютеров для минимизации требований к памяти для вычислений.

При таком подходе использование меньшего количества кубитов для памяти не только приближает методику к практическому применению в квантовых технологиях ближайшего будущего, но и высвобождает дополнительные кубиты. Эти дополнительные кубиты могут служить защитой от ошибок в квантовых симуляторах, повышая надежность всей системы.

Опираясь на теорию: Реализация квантовых моделей

Этот проект основывается на более раннем теоретическом предложении доктора Эллиотта и сингапурской команды. Чтобы оценить практичность подхода, они сотрудничали с USTC, который использовал фотонный квантовый симулятор для реализации предложенных квантовых моделей.

Примечательно, что команда добилась превосходной точности по сравнению с любым классическим симулятором, оснащенным таким же объемом памяти. Более того, подход оказался адаптируемым и может быть модифицирован для моделирования других сложных процессов с различным поведением.

Квантовая фотоника: Уменьшение ошибок в квантовых вычислениях

Доктор Ву Канг-Да, постдокторант USTC и первый автор исследования, подчеркнул превосходство квантовой фотоники. Эта технология, по словам доктора Ву, является одной из наименее подверженных ошибкам архитектур, предложенных для квантовых вычислений, особенно в небольших масштабах. Более того, поскольку квантовый симулятор настроен на моделирование конкретного процесса, он позволяет точно настраивать оптические компоненты и приводит к меньшим ошибкам по сравнению с нынешними универсальными квантовыми компьютерами.

Реализация квантового стохастического симулятора: Пионерский подвиг

Доктор Ченгран Янг, научный сотрудник CQT и еще один совместный первый автор исследования, объявил о важнейшей вехе в этой области. Он сообщил, что данное исследование является первой реализацией квантового стохастического симулятора, который убедительно демонстрирует распространение информации через память во времени. Более того, он обеспечивает доказательство большей точности, чем любой классический симулятор с таким же объемом памяти.

Дорога вперед: Исследование возможностей в квантовом моделировании

Исследователи утверждают, что эта фундаментальная работа является трамплином для будущих исследований. Эти исследования могут включать оценку преимуществ уменьшения тепловыделения в квантовом моделировании по сравнению с классическими моделями.

Более того, работа исследователей может иметь далеко идущие последствия в различных областях, таких как финансовое моделирование, анализ сигналов и нейронные сети с квантовым усилением.

Что касается дальнейших шагов, то планируется глубже изучить эти связи и расширить их работу до более высокоразмерной квантовой памяти. Это многообещающее направление исследований открывает захватывающие возможности для прорыва в эффективном моделировании сложных систем.

Заключение

В поисках эффективного моделирования сложных систем ученые все чаще обращаются к квантовым технологиям как средству преодоления ограничений памяти. Применяя эти технологии, они могут разрабатывать модели, эффективные с точки зрения памяти, для которых требуется всего один кубит памяти. Этот революционный подход способен резко сократить затраты на память, повысить точность и практичность моделирования сложных систем. По мере продвижения к будущему, в котором квантовые технологии станут более распространенными, мы можем ожидать значительного прогресса в области моделирования сложных систем и их применения в нашей повседневной жизни.

University of Manchester

В увлекательной области квантовой физики, где законы природы приобретают умопомрачительные нюансы, ученые совершили поразительный прорыв в разработке квантовых датчиков, значительно превосходящих по точности классические приборы. Недавние исследования, опубликованные в престижном журнале Nature, пролили свет на новаторский путь к дальнейшему повышению точности квантовых датчиков. Ключевым моментом является использование силы запутанности через взаимодействие на конечных расстояниях. Это открытие способно произвести революцию в различных областях, зависящих от точности измерений. В этой статье мы подробно рассмотрим новаторскую работу, проведенную исследователями из Университета Инсбрука под руководством Кристиана Рооса, которая позволила раскрыть потенциал запутанности для повышения точности квантовых датчиков.

Усовершенствование квантовых датчиков с помощью запутанности: Квантовый скачок в точности

На мир метрологии, отвечающей за проведение стандартизированных измерений, огромное влияние оказало появление квантовой физики. Атомные часы, работающие на колебаниях атомов, играют ключевую роль в самых разных областях – от спутниковой навигации до передачи данных. Эти часы постоянно совершенствуются за счет использования более высоких частот колебаний в оптических атомных часах, что приводит к повышению их точности. Однако группа ученых из Университета Инсбрука в сотрудничестве с Институтом квантовой оптики и квантовой информации (IQOQI) Австрийской академии наук представила принципиально новую стратегию, которая позволяет использовать силу запутанности для дальнейшего повышения точности измерений в оптических атомных часах.

Прокладывая путь к усовершенствованным квантовым датчикам

Прокладывая путь к усовершенствованным квантовым датчикам

The Power of Entanglement: раскрытие возможностей повышения точности

В основе квантовой механики лежит фундаментальное свойство, известное как запутанность, когда состояния двух или более частиц необъяснимым образом переплетаются между собой, независимо от расстояния. Используя это загадочное явление, исследователи из Инсбрука провели эксперименты с запутанными ансамблями частиц в контролируемых лабораторных условиях. Метод заключался в точном манипулировании взаимодействием между ионами, выровненными в вакуумной камере с помощью лазеров. «Расстояние между частицами влияет на силу взаимодействия между ними. Используя спин-обменные взаимодействия, мы вызвали коллективное поведение системы, – объясняет Рафаэль Каубрюггер с кафедры теоретической физики Инсбрукского университета. В результате такой оркестровки все частицы в цепочке запутались, что привело к созданию «сжатого квантового состояния». Примечательно, что такое запутанное состояние позволило вдвое сократить ошибки измерений по сравнению с измерениями, проводимыми на отдельных частицах.

От конечного к бесконечному: Смена парадигмы в зондировании с усилением запутанности

Традиционно зондирование с усилением запутанности основывалось преимущественно на бесконечных взаимодействиях, что ограничивало его применимость конкретными квантовыми платформами. Прорыв, совершенный инсбрукскими исследователями, позволяет преодолеть это ограничение. Инновационный подход, предполагающий взаимодействие на конечных расстояниях и генерацию сжатых квантовых состояний, открывает путь к более широкому спектру приложений. В частности, в экспериментах команды был использован оптический переход, сходный с механизмами, используемыми в атомных часах. Это открытие имеет далеко идущие последствия и может произвести революцию в тех отраслях, где атомные часы находят применение, например, в спутниковой навигации и передаче данных.

Открытие «Новых горизонтов»: За пределы часов и в космос

Последствия этого исследования выходят за рамки изысканного хронометража и простираются на неизведанные территории. Повышенная точность, обеспечиваемая квантовыми датчиками на основе запутанности, может стать катализатором прогресса в поисках разгадки тайн Вселенной. Кристиан Роос (Christian Roos), движущая сила этого новаторского исследования, предполагает использовать его в различных областях, таких как поиск неуловимой темной материи и изучение временных вариаций фундаментальных констант. Результаты этого новаторского исследования, получившие широкое распространение в научном сообществе, открывают новые возможности.

Наметить путь вперед: Расширение горизонтов с помощью двумерных ионных ансамблей

Путешествие на этом не заканчивается. Воодушевленные своими замечательными результатами, Кристиан Роос и его команда намерены еще больше расширить границы. Следующий рубеж – испытание нового метода на двумерных ионных ансамблях, что может усилить и без того поразительные достижения в точности. Потенциальные возможности применения этого усовершенствованного метода зондирования на основе запутанности поистине поражают воображение и обещают изменить наши представления об измерении, исследовании и понимании тонкостей квантовой сферы.

Прокладывая путь к усовершенствованным квантовым датчикам

Слияние знаний и поддержки

Революционное начинание инсбрукских исследователей стало возможным благодаря объединению знаний, опыта и поддержки. Финансовая поддержка со стороны таких организаций, как Австрийский научный фонд FWF и Федерация австрийской промышленности Тироля, сыграла важную роль в реализации этого квантового скачка в области прецизионных измерений. Эти совместные усилия подчеркивают важность междисциплинарного сотрудничества в формировании передовых научных достижений.

Вперед в будущее с квантовыми технологиями

В заключение следует отметить, что исследования, проведенные Кристианом Роосом и его командой в Университете Инсбрука, открыли новый путь для повышения точности квантовых датчиков. Сочетание запутанности и взаимодействия на конечных расстояниях позволило разработать новый подход, который способен переосмыслить отрасли, зависящие от точности, – от навигации до космологии. По мере того как научное сообщество принимает эти открытия, расширяются горизонты возможностей для раскрытия секретов Вселенной с непревзойденной точностью. Путь к использованию возможностей квантовой запутанности еще далек от завершения, и его потенциал, способный изменить наше представление о мире, только начинает раскрываться.

University of Innsbruck

Атомарно точные антиточки: квантовый скачок в наноэлектронике

Ученые из Национального университета Сингапура (National University of Singapore, NUS) совершили значительный прорыв в области наноэлектроники. Они успешно создали атомарно точные квантовые антиточки (QAD) путем самосборки одиночных вакансий (SVs) в двумерном (2D) дихалькогениде переходного металла (TMD). Это достижение открывает огромные перспективы для будущего квантовых информационных технологий и представляет собой значительный шаг в области материаловедения и нанотехнологий.

Понимание квантовых антиточек

Прежде чем приступить к рассмотрению этого замечательного явления, давайте определимся с фундаментальным пониманием квантовых антиточек. Если квантовые точки удерживают электроны на наноразмерном уровне, то антиточка – это, по сути, область, характеризующаяся потенциальным холмом, который отталкивает электроны. Стратегически грамотно внедряя в тщательно разработанные решетки антидот узоры, часто называемые «пустотами», ученые могут создавать интригующие искусственные структуры. Эти структуры демонстрируют периодическую модуляцию потенциала, что приводит к глубоким изменениям в поведении двумерных электронов и, в конечном счете, к уникальным квантовым явлениям.

Поскольку спрос на миниатюрные электронные устройства продолжает расти, способность точно контролировать размер и расстояние между антидотами на атомном уровне становится все более важной. Такой уровень контроля в сочетании с устойчивостью к внешним воздействиям необходим для преодоления технологических трудностей в области наноэлектроники.

Пионерские исследования

Исследовательская группа под руководством доцента Джионга Лу (Jiong Lu) с химического факультета NUS и Института функциональных интеллектуальных материалов NUS представила новаторский метод изготовления QADs атомного масштаба. Эти QAD обладают элегантно сконструированными состояниями квантовых ям в двумерном трехатомном слое TMD. Ключ к этой инновации лежит в самосборке SVs в регулярную структуру.

Для анализа атомной и электронной структуры QAD были использованы самые современные методы, включая сканирующую туннельную микроскопию и бесконтактную атомно-силовую микроскопию. В этой совместной работе также участвовала исследовательская группа доцента Александра Родина из колледжа Yale-NUS.

Результаты этого новаторского исследования были опубликованы в авторитетном журнале Nature Nanotechnology 31 августа 2023 года.

Процесс самосборки

Чтобы создать эти замечательные QAD, исследователи намеренно вырастили дефектный образец дителлурида платины (PtTe2), содержащий большое количество теллуровых (Te) SVs. Последующий термический отжиг привел к тому, что СВ Te стали вести себя как «атомные детали Лего», спонтанно собираясь в высокоупорядоченные ОКП на основе вакансий.

Отличительной особенностью этих QAD является минимальное расстояние между SV, каждый из которых разделен одним атомом Te. Такое расположение приводит к возникновению суммарного отталкивательного потенциала, усиливающего интерференцию квазичастиц внутри QAD. В результате образуются многоуровневые квантовые ямы, обеспечивающие регулируемую энергетическую щель, простирающуюся от области телекоммуникаций до дальнего ИК-диапазона.

Примечательно, что даже когда вакансии в QADs после воздействия воздуха оказываются занятыми кислородом, эти точно сконструированные квантовые ямы остаются прочными и не подверженными влиянию окружающей среды благодаря своим геометрически защищенным характеристикам.

Последствия и перспективы

Доцент Джионг Лу подчеркнул значимость этого прорыва, заявив: «Концептуальная демонстрация изготовления этих QADs открывает путь к созданию нового класса искусственных наноструктур в двумерных материалах с дискретными состояниями квантовых ям. Эти структуры представляют собой прекрасную платформу для исследования новых квантовых явлений и динамики горячих электронов в ранее недоступных режимах».

Более того, потенциал дальнейшего совершенствования этих QADs путем введения спин-поляризованных атомов для создания магнитных QADs и антиферромагнитных систем Изинга на треугольной решетке открывает перспективы для развития широкого спектра материальных технологий.

В заключение следует отметить, что успешное создание атомарно точных квантовых антиточек путем самосборки одиночных вакансий в двумерных материалах является значительным скачком в области наноэлектроники и квантовых информационных технологий. Этот инновационный подход не только открывает новые возможности для изучения квантовых явлений, но и способен стимулировать прогресс в различных материальных технологиях, продвигая нас в будущее, характеризующееся беспрецедентными технологическими достижениями.

National University of Singapore

Машинное обучение способствует улучшению квантовой коррекции ошибок

В быстро развивающейся сфере квантовых вычислений коррекция ошибок представляет собой сложную задачу. Квантовые компьютеры, в отличие от своих классических аналогов, работают на принципах суперпозиции и запутанности, что открывает возможности для революционного прогресса в области вычислений. Однако «ахиллесова пята» квантовых вычислений заключается в хрупкости квантовых состояний, которые подвержены ошибкам, вызываемым возмущениями окружающей среды. Центр квантовых вычислений RIKEN начал новаторскую работу по использованию возможностей машинного обучения для исправления квантовых ошибок, приближая нас к практической реализации всего потенциала квантовых вычислений.

Квантовые вычисления: Смена парадигмы

Классические компьютеры работают на основе битов, которые могут представлять только два состояния: 0 и 1. В отличие от них, квантовые компьютеры используют кубиты, которые могут существовать в любой суперпозиции этих состояний. В сочетании с квантовой запутанностью – явлением, при котором кубиты оказываются связанными между собой непостижимым для классика образом, – квантовые компьютеры могут выполнять ранее немыслимые задачи. Эти возможности перспективны для применения в крупномасштабном поиске, решении оптимизационных задач и криптографии.

Квантовая головоломка: исправление ошибок

Основным препятствием на пути реализации потенциала квантовых компьютеров является уязвимость квантовых суперпозиций. Незначительные возмущения, вносимые окружающей средой, могут привести к ошибкам, которые быстро разрушают эти хрупкие квантовые состояния, делая квантовые компьютеры неэффективными. Ключ к преодолению этого препятствия лежит в квантовой коррекции ошибок – сложной области исследований, направленной на нейтрализацию ошибок, которые поражают квантовые вычисления.

Проблемы квантовой коррекции ошибок

Методы квантовой коррекции ошибок теоретически могут устранять ошибки. Однако зачастую они вносят значительную сложность и накладные расходы в квантовые устройства, увеличивая тем самым вероятность возникновения дополнительных ошибок. В результате задача комплексной коррекции ошибок в квантовых вычислениях остается нерешенной.

Машинное обучение в помощь

Исследователи из Центра квантовых вычислений RIKEN обратились к машинному обучению для поиска решений по исправлению ошибок, которые минимизируют сложность устройства и при этом обеспечивают надежную работу по исправлению ошибок. Их подход сосредоточен на автономной системе коррекции ошибок, которая заменяет частые измерения для обнаружения ошибок на тщательно продуманную искусственную среду. Кроме того, они исследуют сферу «бозонных кодировок кубитов» – область, найденную в некоторых из наиболее перспективных квантовых вычислительных платформ, основанных на сверхпроводящих схемах.

Reinforcement Learning: Unleashing the Power of Machine Learning

Поиск оптимальных кодировок бозонных кубитов среди огромного количества возможных вариантов представляет собой сложную оптимизационную задачу. Для ее решения исследователи используют метод обучения с подкреплением – передовую технологию машинного обучения. В процессе обучения с подкреплением агент взаимодействует с абстрактной средой, обучаясь и оптимизируя свою политику действий. Благодаря этому инновационному подходу исследовательская группа обнаружила удивительно простое и в то же время очень эффективное приближенное кодирование кубитов. Это кодирование не только значительно снижает сложность устройства по сравнению с альтернативными предложениями, но и превосходит их по возможностям исправления ошибок.

Перспективы

Первый автор статьи Ексионг Зенг выражает оптимизм: «Наша работа не только демонстрирует потенциал применения машинного обучения для квантовой коррекции ошибок, но и может еще на шаг приблизить нас к успешной реализации квантовой коррекции ошибок в экспериментах».

Франко Нори, влиятельная фигура в этой области, подчеркивает ключевую роль машинного обучения в решении задач крупномасштабных квантовых вычислений и оптимизации. Он особо отмечает текущие проекты, объединяющие машинное обучение, искусственные нейронные сети, квантовую коррекцию ошибок и квантовую отказоустойчивость.

В заключение можно сказать, что синергия квантовых вычислений и машинного обучения способна произвести революцию в технологической сфере. Инновационное использование машинного обучения для квантовой коррекции ошибок в Центре квантовых вычислений RIKEN является важной вехой на этом пути. Поскольку мы стоим на пороге раскрытия истинного потенциала квантовых вычислений, слияние этих двух передовых областей обещает будущее, в котором границы вычислений будут раздвинуты до новых горизонтов.

RIKEN

Продвижение квантовых технологий

Квантовый скачок в Штутгарте

Сфера квантовой науки всегда представляла собой сплав глубокого понимания и революционных инноваций. В авангарде этой научной революции находится Штутгартский университет, где исследователи расширяют границы того, что раньше считалось возможным. Под руководством профессора Штефани Барц и совместными усилиями Центра интегрированной квантовой науки и технологии (IQST) была достигнута новая веха. Они успешно повысили эффективность ключевого компонента многочисленных квантовых устройств, превзойдя то, что ранее считалось теоретическим ограничением.

Entanglement: Квантовое чудо

Квантовая запутанность – одно из самых интригующих явлений в квантовой механике. Эта концепция, вызвавшая бурные дискуссии между такими светилами, как Альберт Эйнштейн и Нильс Бор, связана с уникальным способом обмена информацией между квантовыми системами. В отличие от классической физики, квантовая механика допускает взаимодействие, не поддающееся обычному пониманию. Философские дискуссии прошлого обрели практическое измерение в 1960-х годах благодаря физику Джону Стюарту Беллу. Его экспериментальная схема, сфокусированная на фотонах, заложила основу для будущих квантовых технологических достижений. Значимость вклада Белла проявляется в состояниях Белла, которые описывают максимально возможную запутанность между двумя частицами.

Проблема измерений состояний Белла

Измерения состояний Белла играют ключевую роль в использовании возможностей квантовой запутанности. Эти измерения незаменимы для квантовой телепортации и являются основой квантовой связи и вычислений. Однако при использовании традиционных оптических компонентов возникает проблема. Два из четырех состояний Белла становятся неразличимыми, что ограничивает общую вероятность успеха до 50% при использовании только линейных оптических компонентов.

Переопределение пределов

Исследовательская группа Барца из Штутгартского университета открыла новую эру квантовых измерений. Их новаторское исследование, опубликованное в журнале Science Advances, демонстрирует впечатляющий коэффициент успешности измерений состояния Белла, равный 57,9%. Это достижение было реализовано путем включения двух вспомогательных фотонов наряду с запутанной парой фотонов. Хотя теоретический потенциал этих вспомогательных фотонов был известен, их практическая реализация оставалась сложной задачей. Инновационный подход команды, использующей 48 синхронизированных однофотонных детекторов, позволил различать каждое состояние Белла, преодолев 50%-ный барьер эффективности.

Влияние повышения эффективности

Хотя скачок эффективности с 50% до 57,9% может показаться незначительным, его последствия очень глубоки, особенно в сценариях, требующих последовательных измерений, таких как квантовая связь на больших расстояниях. Снижение сложности линейно-оптической платформы по сравнению с другими методами дает значительное преимущество при масштабировании этих технологий».

Совместные квантовые начинания

Успех исследований группы Барца свидетельствует о силе сотрудничества. Объединив усилия с профессором д-ром Питером ван Луком из Университета Иоганна Гутенберга в Майнце, они углубились в тонкости схемы измерения состояния Белла с помощью анксилла. Барц и ван Лоок являются неотъемлемыми членами коллаборации PhotonQ – консорциума, нацеленного на реализацию особого типа фотонного квантового компьютера. Усовершенствованная методика измерения состояния Белла является свидетельством их совместных усилий.

Квантовые инновации в Штутгарте и за его пределами

Квантовое сообщество в Штутгарте и Баден-Вюртемберге бурлит от воодушевления и потенциала. Благодаря таким инициативам, как IQST и недавно созданная сеть QuantumBW, этот регион может стать мировым лидером в области квантовых разработок. Поддержка со стороны таких уважаемых организаций, как Фонд Карла Цейсса, IQST, Немецкий исследовательский фонд (DFG) и различные федеральные министерства, подчеркивает значимость этих квантовых начинаний.

Заключение

Путь квантовой науки от философских дискуссий до ощутимых технологических достижений является свидетельством изобретательности и настойчивости человека. Последние достижения Штутгартского университета свидетельствуют не только о скачке в развитии квантовых технологий, но и о безграничных возможностях, которые ждут нас впереди. По мере того как исследователи продолжают расширять границы, будущее квантовых технологий выглядит как никогда ярко, обещая инновации, которые могут перевернуть наше представление о Вселенной.

Universitaet Stuttgart