罕见的超导体被发现 可能对量子计算的未来至关重要

1. 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。"

2. 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。

3. 全球首台超导量子计算机诞生在

中国科学技术大学潘建伟院士团队近日成功研制出全球超导量子比特数量最多的量子计算原型机 “祖冲之号”，宣告全球最大量子比特数的超导量子体系的诞生。

量子计算机原型机发布后，我国首个可操纵的超导量子计算机体系“祖冲之号”问世。该成果将为促进中国在超导量子系统上实现量子优越性奠定了技术基础，也为后续具有重大实用价值的通用量子计算的研发提供支持。中国科学技术大学潘建伟院士团队近日成功研制出全球超导量子比特数量最多的量子计算原型机 “祖冲之号”，宣告全球最大量子比特数的超导量子体系的诞生。这篇名为《在可编程二维62比特量子处理器上的量子行走》的论文5月7日发表在《科学》杂志。

量子计算机是全球科技前沿的重大挑战之一，也是世界各国角逐的焦点。超导量子计算已成为最具希望的候选者之一，它的核心目标是增加 “可操纵” 的量子比特数量，通过提升操纵精度来实现落地应用。祖冲之号” 可操纵的超导量子比特多达62个，而此前谷歌实现 “量子优越” 的“悬铃木”53个量子比特。研究团队在大尺度晶格上首次实现了量子行走的实验观测，并实现对量子行走构型的精准调控，构建了可编程的双粒子量子行走。

4. 中科院、浙大等首次实现20个超导量子全局纠缠，荣登Science

 
   
    【新智元导读】 近日，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》。
   
   论文地址：
   https://science.sciencemag.org/content/365/6453/574
   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。
   
   20比特量子芯片示意图
   正如人民日报所评论：
   
   （A）由中央总线谐振器B（灰色）互连的假彩色电路图像显示20个超导量子比特（通过顺时针方向从1到20标记的青色线条）。每个量子比特都有自己的磁通偏置线（蓝色）用于Z控制，16个量子比特具有单独的微波线（红色）用于XY控制，而Q4，Q7，Q14和Q17共享相邻量子比特的微波线。每个量子比特都有自己的读出谐振器（绿色），它耦合到两条传输线中的一条（橙色），以便同时读出。还显示了代表性的量子比特-总线谐振器耦合电容器的放大视图，其中所示的点处具有不同的电容值，以及测量设置的说明性示意图。
   （B）通过传输线的信号频谱，|S21|，其中量子比特读出谐振器的响应在下降时可见。 
   （C）Q20的交换光谱，通过将Q20激励到|1i然后测量其作为量子比特频率和延迟时间函数的|1i-state概率（彩色条）而获得。为消除测量误差而校正的概率数据（27）来自由垂直白色条纹分开的两个连续扫描。在扫描期间，其他19个量子比特在Z控制下按频率进行分类，可以通过人字形图案进行识别，这是由于Q20与总线谐振器B介导的量子比特之间的相干能量交换导致的。放大视图是Q20和B之间的直接能量交换。
   
   图2：18个量子比特的GHZ态
   （A）用于产生和表征N-qubit GHZ态的脉冲序列。 
   （B）N-qubit GHZ奇偶校验振荡。对于每个数据点（蓝色圆圈），通过重复脉冲序列大约30×2^N次，来找到原始的2^N占有几率，然后应用读出校正来消除测量误差（27），之后使用最大似然估计来验证占有几率并计算奇偶校验值P。为了估计误差条（error bars），我们将完整的数据集划分为几个子群，每个子群包含大约5×2^N个样本，并且误差条对应于从这些子群计算的那些标准偏差。红线是正弦曲线拟合，条纹幅度对应于|r00...0,11...1|。对于N=16到18，在整个γ∈[-π/2，π/2]范围内，如果采样尺寸为30×2^N时，则重复测量花费的时间过长。用灰线连起来的灰点来自减小了~2^N采样尺寸的实验数据，没有误差条，作为视觉引导指示正确的N分段振荡周期。
   
   图3显示在实验控制条件下，20 个人造原子集体从零时刻起跑后的相干演化动态过程的捕捉。
   不到 200 纳秒的过程中，人造原子的集体状态历经多次变身，在不同时间点出现有不同组份数（对应球中红色圈的数量）的薛定谔猫态，最终形成 2 组份（同时存在两种相反状态）的薛定谔猫态。
   A 和 B 图分别为理论预测和实验观察结果。C 图为根据建议在新视角下对 5 组份薛定谔猫态的重新描绘，球中蓝色区域的出现更有力地证明了量子纠缠的存在。
   在短短 187 纳秒之内（仅为人眨一下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。论文标题中，团队用了 “薛定谔猫态” 来描述捕捉到的现象。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。
   

5. 量子金属是一种低温超导体 相关研究成果不断增多

      　　量子是现代物理的重要概念，是物质和能量的最小基本单位，量子金属是由最小单元粒子构成的金属，是一种独特的二维材料。量子金属拥有普通金属的特性，并具有绝缘、超导的特性，其在中等强度磁场中呈现为量子金属，在强磁场作用下成为绝缘体，在-272 以下温度环境中则转变为超导体。由此可见，量子金属存在两个维度状态的可能性研究。 
        
     　　从海外研究成果来看，2017年5月，由俄罗斯远东联邦大学、俄罗斯科学院远东分院、日本东京大学组成的国际研究团队，合成了全球首例量子金属，具有以多晶硅为衬底的双层铊原子结构，当温度低于零下272摄氏度时，变为超导材料，并保持正常的金属态。 　
      　从我国研究成果来看，2019年11月，电子 科技 大学与北京大学、北京师范大学、清华大学、美国布朗大学等组成的研究团队，在国际上首次完全证实了高温超导纳米多孔薄膜中存在量子金属态，采用的是高温超导钇钡铜氧（YBCO）多孔薄膜；2021年5月，浙江大学物理学系、中科院物理所等组成的团队发现，利用电压调控铝酸镧（LaAlO3）和钽酸钾（KTaO3）导电性质，材料可从超导体到绝缘体连续转变，并观测到可被连续调控的量子金属态物理现象。这些研究发现为低温量子、量子金属、超导器件 探索 提供了新的思路。 
      　　新思界  行业分析  人士表示，超导体是量子金属研究的重要方向。超导体是临界温度以下电阻为零的导体，可无损耗的传输电流，能够广泛应用在电子、通信、电力、交通、医疗、核工业、航空航天等产业中。2021年，全球超导体市场规模约为76亿美元，呈现持续增长态势。超导体可分为低温超导体、高温超导体两大类，低温超导体占据绝对主导地位，发展势头强劲。量子金属是低温超导体的一种，其研究与应用具有较大价值。

6. 新的超导温度计可以加速量子计算机的发展

在研究人员查尔姆斯理工大学，哥德堡，瑞典，已经开发出一种新型的温度计，可以在极高的量子计算简单，快速地测量温度的精度。这一突破为量子计算的价值提供了基准测试工具，并为量子热力学令人兴奋的领域中的实验打开了大门。 
  
  量子计算机中的关键组件是同轴电缆和波导，它们是引导波形的结构，并且是量子处理器和控制它的经典电子设备之间至关重要的连接。微波脉冲沿着波导传播到量子处理器，并在此过程中被冷却到极低的温度。波导还可以衰减和过滤脉冲，从而使极其灵敏的量子计算机能够在稳定的量子状态下工作。  
  
  为了最大程度地控制这种机制，研究人员需要确保这些波导不会由于电子在其发送的脉冲之上的热运动而携带噪声。换句话说，他们必须测量微波波导冷端的电磁场温度，在该温度下，控制脉冲被传递到计算机的量子位。在尽可能低的温度下工作可最大程度地降低在量子位中引入误差的风险。 
     
  到目前为止，研究人员只能以相对较大的延迟间接测量该温度。现在，借助Chalmers研究人员的新型温度计，可以在波导的接收端直接测量非常低的温度-非常准确，并且具有极高的时间分辨率。 
  
  “我们的温度计是超导电路，直接连接到被测波导的末端。它相对简单-可能是世界上最快且最灵敏的温度计，达到毫克温标。”查尔默斯理工大学量子技术实验室助理教授西蒙娜·加斯帕里内蒂说。 
  
  WACQT的Wallenberg量子技术中心的研究人员的目标是建立一个基于超导电路的量子计算机，该量子计算机至少具有100个运作良好的量子比特，到2030年执行正确的计算。它需要处理器的工作温度接近绝对温度零，最好降至10毫克尔文。新型温度计为研究人员提供了一种重要的工具，可用来测量其系统的良好程度和存在的缺点-这是能够完善技术并实现其目标的必要步骤。 
     
  “特定温度对应于给定数量的热光子，并且该数量随温度呈指数下降。如果我们成功地将波导与量子位相交的末端的温度降低到10毫基尔文，那么我们的量子位出错的风险就会大大降低，”查尔默斯理工大学微技术与纳米科学系教授Per Delsing说，和WACQT的负责人。 
  
  对于需要能够保证其组件质量的供应商（例如用于处理信号至量子态的电缆），准确的温度测量也是必需的。 
  
  诸如叠加，纠缠和退相干之类的量子力学现象不仅意味着未来计算的革命，而且也意味着热力学的革命。热力学定律很可能会在纳米级工作时以某种方式发生变化，这种方式有一天可能会被用来生产更强大的发动机，更快的充电电池等。 
  
  “在15到20年间，人们一直在研究如何通过量子现象来修改热力学定律，但是在热力学中寻求真正的量子优势的方法仍然是开放的，”西蒙娜·加斯帕里内蒂（Simone Gasparinetti）说，他最近成立了自己的研究小组并计划通过一系列新颖的实验为这一搜索做出贡献。 
  
  新的温度计可以例如测量来自充当量子热机或制冷机的电路的热微波的散射。 
  
  “标准温度计是发展经典热力学的基础。我们希望将来，我们的温度计能够被视为发展量子热力学的关键。

7. 超导电子学的超导量子干涉效应

鉴于约瑟夫逊结的临界电流Ic对磁场的变化特别敏感，J.E.默塞里奥用 两个性能理想一致的约瑟夫逊结构成环路，磁场作用于结A和结B，产生量子相位差，改变了超导电子流体的相位特性现象。它正如一束单色光通过狭缝A、B形成光程差产生干涉一样，所以称为超导量子干涉效应，或称默塞里奥效应。

8. 物理学家实现15万亿个热原子间的量子纠缠

   
        
   物理学家创造了一项新的记录，他们将15万亿个热原子连接在一起，产生一种叫做量子纠缠的奇异现象。这一发现可能是制造更精确传感器的重大突破，用于探测被称为引力波的时空涟漪，甚至是被认为遍及宇宙的难以捉摸的暗物质。
   纠缠，阿尔伯特·爱因斯坦描述为“远距离幽灵般的作用”的量子现象，是指两个或多个粒子连接在一起的过程，在一个粒子上进行的任何动作都会立即影响到其他粒子，不管它们之间有多远。纠缠是许多新兴技术的核心，比如量子计算和密码学。
   纠缠态因其脆弱而臭名昭著;它们的量子连接很容易被最轻微的内部振动或来自外部世界的干扰打破。出于这个原因，科学家们试图在实验中达到尽可能低的温度来纠缠抖动的原子;温度越低，原子相互撞击并破坏其一致性的可能性就越小。在新的研究中，位于西班牙巴塞罗那的光子科学研究所(ICFO)的研究人员采用了相反的方法，将原子加热到比典型量子实验温度高数百万倍的温度，以观察纠缠态是否能在炎热而混乱的环境中持续存在。
     
        
    原子在‘热又乱’环境下的纠缠 
   研究人员将一个装满汽化铷和惰性氮气的小玻璃管加热到350华氏度(177摄氏度)，恰好是烤饼干的最佳温度。在这个温度下，热的铷原子云团处于混沌状态，每秒会发生数千次原子碰撞。就像台球一样，原子相互反弹，传递能量和自旋。但与经典台球不同的是，这种自旋并不代表原子的物理运动。
   在量子力学中，自旋是粒子的基本属性，就像质量或电荷一样，赋予粒子一个固有的角动量。在许多方面，粒子的自旋类似于旋转的行星，既具有角动量，又产生一个弱磁场，称为磁矩。但在量子力学这个古怪的世界里，经典的类比是行不通的。当科学家试图测量一个粒子的自旋时，他们得到了两个答案中的一个:向上或向下。在量子力学中不存在中间态。
   幸运的是，粒子自旋产生的微小磁场允许科学家们用许多独特的方法来测量自旋。其中一种是偏振光，即在一个方向上振荡的电磁波。
   研究人员向一管铷原子发射了一束偏振光。由于原子的自旋就像微小的磁铁，光的偏振在穿过气体并与磁场相互作用时发生旋转。这种光和原子的相互作用产生了原子和气体之间的大规模纠缠。当研究人员测量从玻璃管另一侧发出的光波的旋转时，他们可以确定气体原子的总自旋，从而将纠缠转移到原子上，使它们处于纠缠态。
   事实上，玻璃管内部“又热又乱”的环境是实验成功的关键。这些原子处于物理学家所说的宏观自旋单线态，即纠缠粒子对的总自旋和为零的集合。在量子标记 游戏 中，最初纠缠在一起的原子通过碰撞将它们的纠缠传递给彼此，交换它们的自旋但保持总自旋为零，并允许集体纠缠状态至少维持一毫秒。例如，粒子A和粒子B纠缠在一起，但是当粒子B碰撞粒子C时，它会把AB两个粒子和粒子C联系起来，以此类推。
   由于科学家们只能理解纠缠原子的集体状态，他们的研究应用仅限于特殊用途。像量子计算机这样的技术可能是不可能的，因为需要知道单个纠缠粒子的状态才能存储和发送信息。
   然而，他们的研究结果可能有助于开发超灵敏的磁场探测器，能够测量比地球磁场弱100亿倍的磁场。这种强力磁力仪在许多科学领域都有应用。例如，在神经科学的研究中，脑磁图被用来通过探测大脑活动发出的超微弱的磁性信号来拍摄大脑图像。