《匈牙利物理学家正在开发一种量子显微镜,并利用人工智能使量子计算机更有效率》

  • 来源专题:计量基标准与精密测量
  • 编译者: 李晓萌
  • 发布时间:2024-01-24
  • 近日,匈牙利HUN-REN维格纳物理研究中心的专家们在最近启动的一个项目的框架内开发新一代量子显微镜。目标是实现一种物理学家、化学家、生物学家和工程师可以用作量子传感器的设备,以前所未有的空间分辨率和灵敏度来检查和表征各种材料。

    在项目期间,他们计划用量子显微镜实施特殊的测量方法,如基于荧光寿命的磁共振光学读出和基于双光子吸收的荧光成像,据他们所知,将为技术市场提供一种独特的工具,因为还不存在与此类组件相结合的基于金刚石的量子传感器。计划用于量子显微镜的基于单金刚石氮空位中心的测量技术也是欧洲独有的解决方案。

    该集团计划开发几种类型的显微镜,其中一种更简单,同时更便宜,他们希望帮助培训用户,而一种更复杂的显微镜将用于大学、研究机构、公司和工厂的实验室,以检查不同的材料。这些设备的最大优点是它们可以在室温下工作,不需要特殊条件,并且可以在低功率下工作。

    Orsolya Kálmán和Zoltán

    Zimborás最近启动的项目也为量子技术的发展服务。他们的目标是将人工智能与量子技术的某些领域(例如量子计算和量子传感)联系起来,从而开发一个使用机器学习和其他基于人工智能的算法的软件包,使当今嘈杂的量子计算机更高效。

    作为该项目的一部分,他们还希望开发利用近期量子处理器进行机器学习和处理量子传感器数据的算法。主要目标是开发一种人工智能辅助的量子门编译器,其中还包括量子错误缓解程序。此外,作为测试或工业用例,他们计划开发量子机器学习算法,这些算法可以通过量子硬件和开发的编译和错误缓解工具进行增强。上述算法将在经典模拟器和量子处理器上进行测试。

    这两个项目都将持续到2026年,研究人员表示,它们将为国家和欧洲量子技术的发展做出重大贡献。

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  • 《原子干涉量子传感器体积巨大,但密歇根大学的物理学家设计出一种将其小型化的方法》

    • 编译者:张宇
    • 发布时间:2024-10-20
    • 原子干涉仪是一种量子传感器,它利用原子的波粒二象性来以极高的精度测量重力、加速度和旋转。目前的原子干涉仪大多是大型仪器,占用建筑物,并需要高达数十米的塔架。 近日,密歇根大学的物理学家们已经开发出一种量子旋转传感器的设计,其核心尺寸肉眼几乎难以察觉。 据主要作者、密歇根大学博士生 Bineet Dash 称,这种概念验证设计可能有助于将基于原子干涉仪的量子传感器从实验室推向世界。 Dash说,科学家们可以使用原子干涉仪进行各种任务,从不断寻找引力波引起的宇宙结构中的微小涟漪,到了解南极洲冰盖融化引起的地球重力的微小局部变化。但由于其的尺寸庞大,原子干涉仪通常局限于实验室环境。目前,最灵敏的原子干涉仪使用建筑物内的高塔将原子束射出数十米,以收集信息。 由 Dash 和密歇根大学的物理学家 Georg Raithel 的实验室开发的新设计使用了一种特殊的激光束,可以在风车形的几何结构中捕获原子,这种结构可以从30微米的半径(小于人类头发的直径)扩展到大约10倍大,约300微米。研究人员的设计发表在《AVS Quantum Science》期刊上。 “这种干涉仪并不是对其他地方开发的现有设计的增量改进,”Dash 说。“这是基于我们小组在 2021 年提出的一种完全不同的方法。” 目前,研究人员经常使用基于激光波干涉的干涉仪。Dash 说,在天体物理学中,这种光学干涉仪被用来探测引力波。在惯性导航中,光学干涉仪用于测量飞机、轮船和卫星的旋转。 “人们常说已经有利用光工作的传感器了。为什么我们还需要开发一种使用量子力学的传感器?“Dash 说。“其中一个主要的动机是,在相同的条件下,原子干涉仪的灵敏度可能比光学干涉仪高好几个数量级。” 基于光干涉的旋转传感器使用所谓的萨格纳克效应(Sagnac effect)。法国物理学家乔治·萨格纳克(Georges Sagnac)发现光可以用来测量旋转:如果你将光发送到一个旋转的物体周围,然后再发送另一束与旋转方向相反的光束,两束光波就会重叠。但是这些光波会相互“干涉”,并开始显示出它们行进路径的差异。这种差异可以用来测量旋转速度。 原子干涉旋转传感器基于相同的概念。根据量子力学,原子是粒子,但它们也具有波的特性。根据 Dash 的说法,因为它们的波长比光的波长小得多,这使得它们能够比光干涉仪进行更准确、更敏感的旋转测量。 但是Dash说,除了体积庞大之外,大多数现有原子干涉仪的工作原理也给它们在实验室外的使用带来了问题。将原子通过激光脉冲以不同的路径被射入实验室塔内的真空中,一个原子的路径比另一个原子的路径更高,然后它们最终都到达塔的底部,它们到达底部的时间差提供了背景加速度的信息。 当原子被释放到自由空间时,它们可能会分散,一旦分散,信息就会丢失。在某个时刻,原子会分散到足以丢失所有信息。尽管原子流是一起发射的,但许多原子并没有重新汇合,这会导致更多的信息丢失。 2021 年,身为学生的Dash在Raithel实验室采用“光晶格”的概念来尝试缩小原子干涉仪的尺寸。当两束方向相反的激光束在同一条路径上交叉时,就会产生光格,进而产生光网格。Dash说,在适当的条件下,原子可以被限制在光格的最小单位中,就像鸡蛋放在鸡蛋盒里一样。光晶格能够使原子移动受限,并允许实验人员将原子引导到预定的路径上,这些路径能够确保它们一定会重新汇合。 2021年的研究表明,激光参数的细微调整,能够使处于不同量子态的原子被分别困在单独的不同晶格中。这样研究人员使用激光脉冲同时作用于两个被困在不同晶格中的原子上就可以制造出量子叠加态。沿相反方向移动这两个晶格会在两束原子流之间产生滞后,然后可以使用它来读取背景加速度。 但是2021年的设计只让原子沿直线来回运动,这不适合用于旋转感应。 在目前的研究中,Raithel 的实验室设计了一种使用特殊激光束的方法,该激光束以角度模式而不是线性驻波模式发送原子。 “它看起来像一个风车,通过稍微改变激光频率,可以改变风车的速度,”Dash 说。“在预定的旋转时间之后,风车之间的旋转速度会出现滞后,我们可以利用这个滞后来计算背景旋转加速度。” Dash说,虽然该论文描述的使一个概念验证的设计,但Raithel实验室目前正在进行一项原型实验,该实验使用了玻色-爱因斯坦凝聚态低温原子源。 “目前的原子干涉仪非常适合基础物理学研究,但它们笨重、功耗高、占用空间大,而且由于它们的几何尺寸,导致它们在实际应用中并不实用,”Dash 说。“我们的研究是基于原型开发的,但这是一种非常通用的技术,可以适用于惯性导航和重力测绘等多种用途,以及基础物理学的研究中。
  • 《物理学家可以预测薛定谔猫的跳跃(最后保存它)》

    • 来源专题:生物安全网络监测与评估
    • 编译者:yanyf@mail.las.ac.cn
    • 发布时间:2019-06-10
    • 耶鲁大学的研究人员已经想出了如何捕捉和拯救薛定谔着名的猫,这是量子叠加和不可预测性的象征,通过预??测它的跳跃并实时行动来拯救它免受众所周知的厄运。在这个过程中,他们推翻了量子物理学多年的基石教条。 这一发现使研究人员能够建立一个早期预警系统,用于即时跳跃含有量子信息的人造原子。宣布这一发现的研究发表在6月3日的“自然”杂志网络版上。 薛定谔的猫是一个众所周知的悖论,用于说明叠加的概念 - 两种相反状态同时存在的能力 - 以及量子物理学中的不可预测性。这个想法是将一只猫放在一个带有放射源和毒药的密封盒子里,如果放射性物质的原子衰变,它就会被触发。量子物理学的叠加理论表明,在有人打开盒子之前,猫既活着又死了,是状态的叠加。打开盒子观察猫会导致它突然改变其量子状态,迫使它死亡或活着。 量子跃迁是观察时状态的离散(非连续)和随机变化。 该实验在耶鲁大学教授米歇尔·德沃雷特(Michel Devoret)的实验室中进行,并由第一作者Zlatko Minev提出,这是第一次实现量子跃迁的实际运作。结果揭示了一个令人惊讶的发现,这与丹麦物理学家尼尔斯玻尔的既定观点相矛盾 - 跳跃既不突然也不像以前认为的那样随意。 对于诸如电子,分子或含有量子信息的人造原子(称为量子位)这样的微小物体,量子跃迁是从其离散能量状态之一到另一个能量状态的突然过渡。在开发量子计算机时,研究人员必须处理量子比特的跳跃,这是计算误差的表现。 一个世纪以前,波尔将理论上的量子跃迁理论化,但直到20世纪80年代才在原子中观察到。 “每次我们测量量子位时都会出现这些跳跃,”耶鲁大学应用物理和物理学教授,耶鲁大学量子研究所成员Devoret说。 “从长远来看,众所周知,量子跃变是不可预测的。” “尽管如此,”Minev补充说,“我们想知道是否有可能获得一个预警信号,即即将发生跳跃。” Minev指出,该实验的灵感来自奥克兰大学的Howard Carmichael教授的理论预测,他是量子轨迹理论的先驱,也是该研究的共同作者。 除了其基本影响之外,该发现还是理解和控制量子信息的潜在重大进步。研究人员表示,可靠地管理量子数据并在发生错误时纠正错误是开发完全有用的量子计算机的关键挑战。 耶鲁大学团队使用一种特殊方法间接监测超导人造原子,三个微波发生器照射封闭在铝制3D腔内的原子。 Minev为超导电路开发的双重间接监测方法使研究人员能够以前所未有的效率观察原子。 微波辐射在同时被观察时搅动人造原子,导致量子跃迁。这些跳跃的微小量子信号可以放大而不会损失到室温。在这里,他们的信号可以实时监控。这使得研究人员能够看到突然没有检测到的光子(由微波激发的原子的辅助状态发出的光子);这种微小的缺席是量子跳跃的预警。 “尽管有观察结果,这次试验显示的美丽效果是跳跃过程中的连贯性增加,”Devoret说。添加了Minev,“你可以利用它不仅可以捕获跳跃,还可以逆转它。” 研究人员表示,这是至关重要的一点。虽然从长远来看量子跃迁看起来是离散的和随机的,但逆转量子跃迁意味着量子态的演化部分地具有确定性而非随机性;跳跃总是以相同的,可预测的方式从其随机起始点发生。 “原子的量子跃迁有点类似于火山的喷发,”Minev说。 “从长远来看,它们是完全不可预测的。尽管如此,通过正确的监测,我们可以确定地发现即将发生的灾难的预警,并在灾害发生之前对其采取行动。 该研究的其他共同作者包括耶鲁大学的Robert Schoelkopf,Shantanu Mundhada,Shyam Shankar和Philip Reinhold。奥克兰大学的RicardoGutiérrez-Jáuregui;和来自法国计算机科学与自动化研究所的Mazyar Mirrahimi。该研究得到了美国陆军研究办公室的支持。这项新研究是耶鲁量子研究工作的最新举措。耶鲁科学家处于开发第一批完全有用的量子计算机的前沿,并在超导电路的量子计算方面做了开创性的工作。 ——文章发布于2019年6月3日