DAOrayaki DAO研究奖金池：
资助地址: DAOrayaki.eth
投票进展：DAO Reviewer 1/0 通 过
赏金总量：120 USD
研究种类：Quantum Computing, New Research, Survey
原文作者: Paradigm
创作者：SueT@DAOrayaki.org
审核者：Tan Zhi Xuan@DAOrayaki.org
原文: QT/ Quantum cryptography: Hacking is futile
// 简要概括：
- 一个国际团队首次成功实施了一种高级形式的量子密码学。此外，加密独立于所使用的量子设备，因此可以更安全地抵御黑客攻击。
- 研究人员发现，氧化镍超导体包含一个称为电荷密度波的量子物质相，这在其他非常规超导体中很常见。然而，在其他方面，它们却出奇的独特。非常规的超导体包含各种奇怪的量子态。研究人员在他们三年前发现的一种镍酸盐超导体中发现了其中的一种，被称为电荷密度波的冷冻电子波纹。
- 物理学家声称在使用量子计算机研究以及预测大量相互作用的量子粒子的状态如何随时间演变方面取得了重大进展。这是通过开发他们在 IBM 量子计算机上运行的量子算法来完成的。
- 由于新技术的出现，量子时钟正在缩小。有一个量子物理学家团队设计了新的方法，不仅可以缩小时钟的尺寸，还可以使其足够坚固，可以带出实验室并在“现实世界”中使用。
- 科学家们使用中子散射来确定特定材料的原子结构是否可以承载一种称为螺旋自旋液体的新型物质状态。通过跟踪层状三氯化铁磁体蜂窝晶格上被称为“自旋”的微小磁矩，该团队发现了第一个容纳螺旋自旋液体的二维系统。
- 一种称为量子密钥分配的方法长期以来一直保持着传统密码学无法实现的通信安全承诺。一个国际科学家团队目前首次通过实验证明了一种基于高质量量子纠缠的量子密钥分配方法，并提供了比以前的方案更为广泛的安全保障。
- 几十年来，计算机一直是二进制信息的代名词，即 0 和 1。现在，有一个团队已经实现了一种量子计算机，突破了这种范式并解锁了额外的计算资源，隐藏在当今几乎所有的量子设备中。
- 物理学家已经展示了使用量子计算的模拟如何能够观察到物质脱离其正常平衡的独特状态。这种新的物质状态有朝一日可能会导致快速、强大的量子信息存储和精密测量科学的发展。
- 大约三年前，一个天文学家团队在原子中心寻找宇宙缺失的质量，也就是众所周知的暗物质。他们的探险并没有让他们找到暗物质，但他们仍然发现了一些以前从未见过也无法解释的东西。或者说，至少是缺乏一个具有共识的解释。
- 研究人员提出了一种研究熔盐热力学特性的新方法，熔盐用于许多核能和太阳能应用。
- 更多精彩内容！
// 量子计算市场
根据最近的市场研究报告《受 COVID-19 影响的量子计算市场对产品（系统和服务）、部署（本地和基于云）、应用程序、技术、最终用途行业和地区的影响——到 2026 年的全球预测》， MarketsandMarkets 发布的数据显示，量子计算市场预计将从 2021 年的 4.72 亿美元增长到 2026 年的 17.65 亿美元，复合年增长率为 30.2%。量子计算在银行和金融领域的早期应用预计将推动全球市场的增长。促进量子计算市场增长的其他关键因素包括各国政府不断增加的投资，以开展与量子计算技术相关的研发活动。几家公司正专注于在 COVID-19 之后采用 QCaaS。反之，这有望促进量子计算市场的增长。然而，稳定性和纠错问题预计将抑制市场的增长。
根据《量子计算市场研究报告：按产品、部署类型、应用、技术、行业——行业份额、增长、驱动因素、趋势和到 2030 年的需求预测》报告，到 2030 年，量子计算市场预计将达到 649.88 亿美元。在预测期内，机器学习 (ML) 有望在所有应用类别中以最高的复合年增长率取得进展，因为量子计算正在集成到 ML 中以改进后者的用例情况。
// 最新研究
《一种面向远程用户的独立于设备的量子密钥分发系统》
作者：Zhang, W.、van Leent, T.、Redeker, K. et al.
互联网上充斥着高度敏感的信息。复杂的加密技术通常可确保此类内容不会被截获和读取。但在未来，高性能量子计算机可以在几秒钟内破解这些密钥。因此，量子力学技术不仅可以实现新的、更快的算法，而且还可以实现非常有效的密码学。
量子密钥分发（QKD）——正如行话所说——是安全的，并且可以抵御对通信通道的攻击，但不能抵御对设备本身的攻击或操纵。因此，这些设备可以输出制造商先前保存的密钥，并且可能已经转发给黑客。对于独立于设备的 QKD（缩写为 DIQKD），情况就不同了。在这里，加密协议独立于所使用的设备。从理论上讲，自20世纪90年代以来，这种方法现在已由新加坡国立大学 (NUS) 的 LMU 物理学家 Harald Weinfurter 和 Charles Lim 领导的国际研究小组首次通过实验实现。
对于交换量子机械密钥，有不同的方法可用。要么由发射器向接收器发送光信号，要么使用纠缠的量子系统。在本次实验中，物理学家使用了两个量子机械纠缠的铷原子，它们位于 LMU 校园内相距 400 米的两个实验室中。这两个地点通过一条 700 米长的光缆连接，该光缆在主楼前的 Geschwister Scholl 广场下方运行。
为了产生纠缠，科学家首先用激光脉冲激发每个原子。然后，原子自发地回落到它们的基态，每个由此发射出一个光子。由于角动量守恒，原子的自旋与其发射光子的极化纠缠在一起。两个光粒子沿着光纤电缆传播到接收站，在那里对光子的联合测量表明原子量子存储器的纠缠。
为了交换密钥，Alice and Bob（密码学家常著称的两方）测量各自原子的量子态。在每种情况下，这都是在两个或四个方向上随机完成的。如果方向一致，则测量结果由于纠缠而相同，可用于生成密钥。对于其他测量结果，可以评估所谓的贝尔不等式。物理学家 John Stewart Bell 最初开发这些不等式是为了测试是否可以用隐藏变量来描述自然。Weinfurter 说：“事实证明它不能。”Weinfurter 补充解释：“在 DIQKD 中，该测试“专门用于确保设备上没有任何操作——也就是说，例如，隐藏的测量结果没有事先保存在设备中。”
与早期的方法相比，由新加坡国立大学的研究人员开发的实施协议使用两种测量设置来生成密钥，而不像之前那样只有一种。Charles Lim 说：“通过引入额外的密钥生成设置，截获信息变得更加困难，因此即使对于质量较低的纠缠状态，协议也可以容忍更多的噪音并生成密钥。”
相比之下，在传统的QKD方法中，只有在所使用的量子设备已经被充分描述时，才能保证安全性。Tim van Leent解释说：“因此，此类协议的用户必须依赖 QKD 提供商提供的规范，并相信设备在密钥分发期间不会切换到另一种操作模式。” 他与 Wei Zhang 以及 Kai Redeker 一起撰写此篇研究论文。van Leent 还补充说：至少十年前人们就知道，旧的 QKD 设备很容易从外部被黑客入侵。
Weinfurter 解释说：“使用我们的方法，我们现在可以使用未描述且可能不可信的设备生成密钥。” 事实上，他最初也曾怀疑这个实验是否能成功。但他的团队证明了他的疑虑没有必要，并且显着提高了实验的质量。除了 LMU 和 NUS 的合作项目，牛津大学的一个研究小组也展示证明了独立于设备的密钥分配的可行性。为了做到这一点，研究人员在同一个实验室中使用了一个包含两个纠缠离子的系统。Charles Lim 说：“这两个项目为未来的量子网络奠定了基础，在这些网络中，遥远的地点之间可以进行绝对安全的通信。”
下一个目标之一是扩展系统以包含几个纠缠原子对。van Leent 说：“这将允许产生更多的纠缠态，从而提高数据速率并最终提高密钥安全性。” 此外，研究人员希望扩大范围。在目前的设置中，它受到实验室之间光纤中大约一半光子损失的限制。在其他实验中，研究人员能够将光子的波长转换为适合电信的低损耗区域。通过这种方式，只需要一点额外的噪音，他们就能设法将量子网络连接的范围扩大到 33 公里。
《无限层镍酸盐中的断裂平移对称状态》
作者：Matteo Rossi、Motoki Osada、Jaewon Choi、Stefano Agrestini ——《自然·物理》
一项新的研究表明，氧化镍超导体在比传统超导体更高的温度下没有损耗地导电，它包含一种称为电荷密度波或 CDW 的量子物质，它可以伴随超导性。
能源部 SLAC 国家加速器实验室的研究人员和斯坦福大学报道：CDWs 的存在表明，这些最近发现的材料，也称为镍酸盐，能够形成相关态，也就是可以承载各种量子相，包括超导性的“电子汤”。
领导这项研究的 SLAC 首席科学家、斯坦福大学材料与能源科学研究所（SIMES）的研究员 Wei-Sheng Lee 说：“与我们所知道的任何其他超导体不同，CDW 甚至在我们通过用其他原子替换一些原子来改变可以自由移动的电子数量来掺杂材料之前就出现了。”
“这使得镍酸盐成为一个非常有趣的新系统，一个研究非常规超导体的新平台。”
这张图显示了当科学家调整氧化镍材料的温度和掺杂水平时，氧化镍材料内部发生的情况——用其他原子替换一些原子以改变可以移动的电子数量。当条件恰到好处时，材料的电子会失去各自的特征，形成电子汤，出现了超导性（蓝色）和电荷密度波（红色）等量子态。
自第一批非常规“高温”超导体被发现以来的 35 年里，研究人员一直在竞相寻找一种能够在接近室温的情况下无损耗地传输电力的材料。这将是一个革命性的发展，可以实现完美高效的电力线、磁悬浮列车和许多其他未来的节能技术。但是，尽管全球范围内的大力研究努力已经确定了它们的性质和行为的许多方面，但人们仍然不知道这些材料是如何变成超导的。所以三年前 SIMES 研究人员对于镍酸盐的超导能力的发现是令人兴奋的，因为它给科学家们提供了一个关于这个问题的新视角。
从那时起，SIMES 研究人员一直在探索镍酸盐的电子结构（基本上是它们的电子行为方式）和磁性行为。这些研究发现了镍酸盐与铜氧化物或铜酸盐之间的重要相似之处和细微差别，而这是有史以来发现的第一种高温超导体，并且仍然是在日常压力下高温运行的世界纪录保持者。由于镍和铜在元素周期表上紧挨着，科学家们对看到它们之间的亲缘关系并不感到惊讶，事实上他们怀疑镍酸盐可能是很好的超导体。但事实证明，要构造出具有恰到好处的特性的材料是非常困难的。
Lee 说：“这仍然很新。人们仍在努力合成这些材料的薄膜，并了解不同条件如何影响与超导相关的潜在微观机制。”
CDW 只是在超导材料中争夺突出地位的奇怪物质状态之一。你可以将它们视为叠加在材料原子结构上的冻结电子波纹图案，波纹顶峰的电子密度较高，而波谷中的电子密度较低。随着研究人员调整材料的温度和掺杂水平，各种状态会出现以及消失。当条件恰到好处时，材料的电子会失去个体特征，形成电子汤，超导、CDW 等量子态就会出现。
SIMES 小组较早的一项研究没有发现含有稀土元素钕的镍酸盐中的 CDW。但在这项最新研究中，SIMES 团队创造并检查了一种不同的镍酸盐材料，其中钕被另一种稀土元素镧取代。
在 SLAC 担任博士后研究员期间领导该实验的 Matteo Rossi 解释说：“CDW 的出现可能对其周围环境的应变或紊乱等因素非常敏感，可以通过使用不同的稀土元素进行调整。”
该团队在三个 X 射线光源上进行了实验，也就是英国的钻石光源、SLAC 的斯坦福同步辐射光源和美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室的高级光源。这里每一个设施都提供了专门的工具，用于从根本上探索和理解材料。由于新冠的限制，所有实验都必须远程进行。
实验表明，这种镍酸盐可以承载 CDW 和物质的超导状态，而且这些状态甚至在材料被掺杂之前就已经存在。这令人惊讶，因为掺杂通常是使材料超导的一个重要步骤。Lee 说：这种镍酸盐本质上是自掺杂的，这一事实使其与铜酸盐有很大不同。
Lee 补充说：“这使得镍酸盐成为一个非常有趣的新系统，用于研究这些量子相如何相互竞争或相互交织。这意味着许多用于研究其他非常规超导体的工具也可能与这个有关。”
《用于光学晶格时钟的现场可部署原子包》
作者：Yogeshwar B Kale、Alok Singh、Markus Gellesch、Jonathan M Jones、David Morris、Matthew Aldous、Kai Bongs、Yeshpal Singh——《量子科技》
归功于伯明翰大学领导的英国量子技术中心传感器和定时开发的新技术，量子时钟正在缩小。
与英国国防科学与技术实验室 (Dstl) 合作并由其部分资助的一个量子物理学家团队设计出了新的方法，不仅可以缩小时钟的尺寸，还可以使其足够坚固，可以使其从实验室中运出，并在“现实世界”中使用。
量子（或原子）时钟被广泛认为是全球在线通信、导航系统或全球股票交易等领域的应用日益精确的方法的关键，在这些领域，几分之一秒可能会产生巨大的经济差异。具有光学时钟频率的原子时钟可以比微波时钟精确 10,000 倍，从而为重新定义标准 (SI) 测量单位提供了可能性。
有朝一日，更先进的光学时钟可能会对日常生活和基础科学产生重大影响。与其他类型的时钟相比，它们允许在需要重新同步之间有更长的时间，从而为国家计时基础设施提供更高的弹性，并解锁未来自动驾驶汽车的定位和导航应用。这些时钟无与伦比的准确性还可以帮助我们超越标准物理模型，了解宇宙中一些最神秘的方面，包括暗物质和暗能量。这样的时钟也将有助于解决基本的物理问题，例如基本常数是否真的是“常数”，或者它们是否随时间变化。
首席研究员 Yogeshwar Kale 博士说：“光学时钟的稳定性和精度使其对许多未来的信息网络和通信至关重要。一旦我们有了一个可以在实验室外使用的系统，我们就可以使用它们，例如，在地面导航网络中，所有这些时钟都通过光纤连接并开始相互通信。这样的网络将减少我们对 GPS 系统的依赖，而 GPS 系统有时会失效。”
“这些可运输的光学时钟不仅有助于改善大地测量，也就是地球形状和重力变化的基本特性，而且还将作为监测和识别早期地震和火山等地球动力学信号的先驱。”
尽管这种量子时钟正在迅速发展，但部署它们的主要障碍是它们的尺寸（目前的模型装在货车或汽车拖车中，大约 1500 升）以及它们对环境条件的敏感性限制了它们在不同地方之间的运输。
（左）UHV 组件的 3D 渲染（右）用于超冷锶原子的 CAP 和 CAP 的简化块，使其多层和模块化，适合运输。相关的 FSU 使所有冷却和捕获激光器的频率稳定。它还提供对所有光、电和射频信号的控制
位于英国 Quantum Technology Hub Sensors and Timing 的伯明翰团队提出了一种解决方案，该解决方案在一个约 120 升、重量不到 75 公斤的“盒子”包装中解决了这两个挑战。
Dstl 的一位发言人补充说：“Dstl 将光学时钟技术视为国防部未来能力的关键推动力。这些时钟有可能通过增强国家基础设施的弹性和改变通信和传感器网络的设计方式来塑造未来。在 Dstl 的支持下，伯明翰大学在使光学晶格时钟的许多子系统小型化方面取得了重大进展，并在此过程中克服了许多重大的工程挑战。我们期待看到他们在这个令人兴奋和快速发展的领域取得的进一步进展。”
钟表的工作原理是利用激光产生并测量原子的量子振荡。这些振荡可以被高度精确地测量，而且从频率上看，也可以测量时间。一个挑战是尽量减少对测量的外部影响，例如机械振动和电磁干扰。要做到这一点，测量必须在真空中进行，并尽量减少外部干扰。
新设计的核心是一个超高真空室，比量子计时领域中使用的任何一个都小。该腔室可用于捕获原子，然后将它们冷却到非常接近“绝对零”值，使它们达到可用于精密量子传感器的状态。
该团队证明，他们可以在不到一秒的时间内在室内捕获近 16 万个超冷原子。此外，他们还展示了他们可以将系统运输超过 200 公里，然后在不到 90 分钟的时间内将其设置为进行测量做好准备。在旅途中，该系统能够承受高于室温 8 度的温度上升。
Kale 博士补充说：“我们已经能够展示一个强大而有弹性的系统，它可以由一名训练有素的技术人员快速运输和设置。这让我们更接近于看到这些高精度的量子仪器在实验室环境之外的具有挑战性的环境中使用。”
《B11 中与 Be11 的 β 延迟质子发射相关的近阈值共振的证据》
作者：Y. Ayyad、W. Mittig、T. Tang、B. Olaizola、G. Potel、N. Rijal ——《物理评论快报》
大约三年前，Wolfgang “Wolfi” Mittig 和 Yassid Ayyad 在原子中心寻找宇宙缺失的质量，也就是众所周知的暗物质。
他们的探险并没有使他们找到暗物质，但他们仍然发现了一些以前从未见过也无法解释的东西。或者说，至少是缺乏一个具有共识的解释。
Mittig 说：“这就像一个侦探故事。” 他是密歇根州立大学物理与天文学系汉纳特聘教授，也是稀有同位素束设施或 FRIB 的教员。
他说：“我们一开始就在寻找暗物质，但没有找到，相反，我们发现了其他难以用理论解释的东西。”
所以团队重新开始工作，做更多的实验，收集更多的证据，让他们的发现变得有意义。Mittig、Ayyad 和他们的同事在密歇根州立大学的国家超导回旋加速器实验室 (NSCL) 中支持了他们的案例。在 NSCL 的工作，让团队找到了通往他们意想不到的目的地的新途径。在这样做的过程中，他们还发现了在亚原子粒子的超小量子领域中正在进行的有趣物理学。特别是，该团队证实，当原子的核心或原子核被中子填充过多时，它仍然可以通过吐出质子来找到更稳定的配置。
暗物质是宇宙中最著名的事物之一，我们知之甚少。几十年来，科学家们已经知道宇宙包含的质量比我们根据恒星和星系的轨迹所能看到的要多。为了让引力把天体拴在它们的轨道上，必须有看不见且大量的质量，而这些质量也是我们可以观察、测量和描述的常规物质数量的六倍。尽管科学家们确信暗物质就在那里，但他们还没有找到直接探测它的方法。
西班牙圣地亚哥德孔波斯特拉大学加利西亚高能物理研究所 (IGFAE) 的核物理研究员 Ayyad 说：“发现暗物质是物理学的主要目标之一。”
Mittig 说：科学家们已经发起了大约 100 个实验，试图阐明暗物质到底是什么。
Ayyad 说：“经过 20 年、30 年、40 年的研究，他们都没有成功，但是有一个理论，一个非常假设的想法，你可以用一种非常特殊的原子核来观察暗物质。” Ayyad 以前是 NSCL 的探测器系统物理学家。
这个理论集中在它所谓的暗衰变上。它假设某些不稳定的原子核，即自然分解的原子核，可以在它们崩溃时抛弃暗物质。因此，Ayyad、Mittig 和他们的团队设计了一个可以寻找黑暗衰变的实验，他们知道这种可能性对他们很不利。但这场赌博并不像听起来那么大，因为探测奇异衰变还可以让研究人员更好地了解核世界和量子世界的规则和结构。研究人员很有可能发现新事物。问题是，那会是什么。
Ayyad 说：当人们想象原子核时，许多人可能会想到一个由质子和中子组成的块状球。但是原子核可以呈现出奇怪的形状，包括所谓的晕核。铍 11 是晕核的一个例子。它是铍元素的一种形式或同位素，其原子核中有四个质子和七个中子。它将这 11 个核粒子中的 10 个保持在一个紧密的中心簇中。但是一个中子漂浮在远离核心的地方，松散地与原子核的其余部分结合，有点像月球环绕地球。铍 11 也不稳定。在大约 13.8 秒的寿命后，它会因所谓的 Beta 衰变而分崩离析。它的一个中子喷射出一个电子并变成一个质子。这将原子核转化为具有五个质子和六个中子的稳定形式的硼元素，即硼 11。但根据这个非常假设的理论，如果衰变的中子是晕中的中子，铍 11 可能会走一条完全不同的路线，也就是它可能会经历暗衰变。
2019 年，研究人员在加拿大国家粒子加速器设施 TRIUMF 开展了一项实验，以寻找这种非常假设的衰变。他们确实发现了一个出乎意料的高概率衰变，但它不是暗衰变。看起来铍 11 的松散结合的中子正在像正常的 β 衰变一样喷射电子，但铍并未遵循已知的硼衰变路径。研究小组假设，如果硼 11 中的一个状态作为通往另一个衰变，即通往铍 10 和一个质子的大门而存在，那么可以解释衰变的高概率。对于任何记分的人来说，这意味着原子核再次变成了铍。只是现在它有六个中子而不是七个。
Ayyad说：“这仅仅是因为晕核，这是一种非常奇特的放射性。这实际上是来自富含中子的原子核的质子放射性的第一个直接证据。”
但科学欢迎审查和怀疑，该团队 2019 年的报告受到了这两方面的健康影响。硼 11 中的“门口”状态似乎与大多数理论模型不兼容。由于没有一个坚实的理论来解释团队所看到的东西，不同的专家对团队的数据有不同的解释，并提出了其他潜在的结论。
Mittig 说：“我们进行了很多长时间的讨论，这是一件好事。”
尽管讨论是有益的，并且将继续如此，Mittig 和 Ayyad 知道他们必须产生更多的证据来支持他们的结果和假设。他们必须设计新的实验。
在该团队 2019 年的实验中，TRIUMF 产生了一束铍 11 核束，该团队将其引导到一个检测室中，研究人员在该室中观察到了不同的可能衰变路线。这包括产生铍 10 的 β 衰变到质子发射过程。对于 2021 年 8 月进行的新实验，该团队的想法是基本上运行时间反转反应。也就是说，研究人员将从铍 10 核开始并添加一个质子。瑞士的合著者创造了一种半衰期为 140 万年的铍 10 源，然后 NSCL 可以使用新的再加速器技术产生放射性束。该技术将铍蒸发并注入加速器，使研究人员能够进行高度灵敏的测量。当铍 10 吸收了正确能量的质子时，原子核进入了研究人员认为他们在三年前发现的相同激发态。它甚至会吐出质子，这可以被检测为该过程的特征。
Ayyad 说：“这两个实验的结果非常吻合。”
这不是唯一的好消息。团队不知道的是，佛罗里达州立大学的一个独立科学家小组设计了另一种方法来探测 2019 年的结果。Ayyad 碰巧参加了一次虚拟会议，佛罗里达州团队在会上展示了初步结果，他对所见所闻感到鼓舞。
他说：“我截取了 Zoom 会议的截图，并立即将其发送给沃尔菲，然后我们联系了佛罗里达州队，并制定了一种相互支持的方法。”
两个团队在编写报告时保持联系，两份科学出版物现在都出现在同一期《物理评论快报》上。而新的结果已经在社会上产生了轰动效应。
Ayyad 说：“这项工作受到了广泛关注。沃尔菲将在几周后访问西班牙讨论这个问题。”
部分兴奋是因为该团队的工作可以为所谓的开放量子系统提供新的案例研究。这是一个令人生畏的名字，但这个概念可以被认为像一句老话：“没有什么存在于真空中。”量子物理学提供了一个框架来理解自然界中极其微小的成分：原子、分子等等。这种理解几乎推动了物理科学的每个领域，包括能源、化学和材料科学。
然而，该框架的大部分内容是在考虑简化场景的情况下制定的。所关注的超小型系统将以某种方式与周围世界提供的输入海洋隔离开来。在研究开放量子系统时，物理学家正在冒险远离理想化的场景，进入现实的复杂性。开放式量子系统实际上无处不在，但找到一个足够易于学习的系统是具有挑战性的，尤其是在原子核问题上。Mittig 和 Ayyad 看到了他们松散结合的细胞核的潜力，他们知道 NSCL，以及现在的 FRIB 可以帮助开发它。
《蜂窝晶格上的螺旋自旋液体》
作者：Shang Gao、Michael A. McGuire、Yaohua Liu、Douglas L. Abernathy、Clarina dela Cruz、Matthias Frontzek、Matthew B. Stone、Andrew D. Christianson ——《物理评论快报》
能源部橡树岭国家实验室的科学家们使用中子散射来确定特定材料的原子结构是否可以承载一种称为螺旋自旋液体的新型物质状态。通过跟踪层状三氯化铁磁体蜂窝晶格上称为“自旋”的微小磁矩，该团队发现了第一个容纳螺旋自旋液体的二维系统。
这一发现为未来可能推动下一代信息技术的物理现象研究提供了一个试验台。其中包括可能在量子计算中被证明有前途的分子或集体量化振动、斯格明子，以及可以推进高密度数据存储的新型磁自旋纹理。
领导这项研究的 ORNL 的 Shang Gao 说：“承载螺旋自旋液体的材料特别令人兴奋，因为它们有可能用于产生量子自旋液体、自旋纹理和分形子激发。”
(a) FeCl3 中的 Fe3+ 离子 (S=5/2) 沿 c 轴形成 ABC 型堆叠的蜂窝晶格。红色实线箭头分别表示最近、第二和第三相邻的耦合 J1、J2 和 J3。黄色虚线箭头表示层间耦合 Jc1。蓝色虚线箭头表示第二层耦合 Js1、Js2 和 Js3。(b) 在蜂窝晶格上实现 SSL 状态 |J2/J1|>1/6（底部面板中的蓝色阴影），传播向量在倒易空间中形成连续环，我们将其称为螺旋环。顶部面板中的黑色曲线显示了作为 |J2/J1| 函数的螺旋环上的代表性传播矢量 (q, q, 0) 的位置。插图显示了 |J2/J1|=0.25、0.5 和 0.7 处的完整螺旋环，如黑色曲线上的圆形标记所示。
一个长期存在的理论预测，蜂窝晶格可以容纳螺旋自旋液体——一种新的物质相，其中自旋形成波动的开瓶器状结构。然而，在本研究之前，一直缺乏二维系统中这一阶段的实验证据。二维系统包括层状晶体材料，其中在平面上的相互作用比在堆叠方向上的相互作用更强。
Gao 将三氯化铁确定为测试该理论的有前途的平台，该理论是十多年前提出的。他和 ORNL 的合著者 Andrew Christianson 联系了同样来自 ORNL 的 Michael McGuire，询问他是否会合成和描述用于中子衍射测量的三氯化铁样品。Michael McGuire 在二维材料的生长和研究方面有丰富的工作经验。就像二维石墨烯层作为纯碳的蜂窝晶格存在于块状石墨中一样，二维铁层作为二维蜂窝层存在于块状三氯化铁中。McGuire说：“以前的报道暗示，这种有趣的蜂窝材料可以在低温下表现出复杂的磁性。”
McGuire说：“每个蜂窝状的铁层上下都有氯原子，形成氯-铁-氯板，一块板顶部的氯原子通过范德瓦尔斯键与下一块板底部的氯原子相互作用非常弱。这种薄弱的粘合使得像这样的材料很容易剥离成非常薄的层，通常是一块板。这对于开发设备和理解量子物理学从三维到二维的演变非常有用。”
在量子材料中，电子自旋可以有集体和外在的行为。如果一个自旋移动，所有都会做出反应，而爱因斯坦称之为“远距离的幽灵行动”的纠缠状态。该系统处于受挫状态既一种保持无序的液体，因为电子自旋不断改变方向，迫使其他纠缠电子响应波动。
60 年前，ORNL 对氯化铁晶体进行了首次中子衍射研究。今天，ORNL 在材料合成、成像、中子散射、理论、模拟和计算方面的广泛专业知识使我们能够开创性地探索磁性量子材料，推动下一代信息安全和存储技术的发展。
散裂中子源和高通量同位素反应堆（ORNL 的 DOE 科学办公室用户设施）的专家和工具使绘制螺旋自旋液体中的自旋运动成为可能。ORNL 的合著者对于中子散射实验的成功至关重要：Clarina dela Cruz 领导了使用 HFIR 的 POWDER 衍射仪进行的实验；Yaohua Liu 领导使用 SNS 的 CORELLI 光谱仪进行实验；Matthias Frontzek 他领导了使用 HFIR 的 WAND2 衍射仪进行的实验；Matthew Stone 领导了 SNS 的 SEQUOIA 光谱仪的操作实验；以及 Douglas Abernathy 领导了 SNS 的 ARCS 光谱仪的实验。
Gao说：“我们在 SNS 和 HFIR 测量的中子散射数据为螺旋自旋液相提供了令人信服的证据。”
合著者 Matthew Stone 说：“中子散射实验测量了中子如何与样品交换能量和动量，从而推断出磁性。”他描述了一种螺旋自旋液体的磁性结构：“它看起来像是一组山脉的地形图，有一堆向外延伸的环。如果你沿着一个圆环走，所有的自旋都会指向同一个方向。但是如果你向外走并穿过不同的环，你会看到这些旋转开始围绕它们的轴旋转。这就是螺旋。”
合著者 Andrew Christianson 说：“我们的研究表明，螺旋自旋液体的概念对于广泛的蜂窝晶格材料是可行的。它为社区提供了一条探索自旋纹理和新颖激发（例如分形）的新途径，然后可能用于未来的应用，例如量子计算。”
《在量子计算机上探测分数量子霍尔态的几何激发》
作者：Ammar Kirmani、Kieran Bull、Chang-Yu Hou、Vedika Saravanan、Samah Mohamed Saeed、Zlatko Papić、Armin Rahmani、Pouyan Ghaemi ——《物理评论快报》
纽约城市学院物理学家 Pouyan Ghaemi 和他的研究团队声称在使用量子计算机研究和预测大量相互作用的量子粒子的状态如何随时间演变方面取得了重大进展。这是通过开发他们在 IBM 量子计算机上运行的量子算法来完成的。CCNY 科学部副教授 Ghaemi 说：“据我们所知，这种可以模拟相互作用的量子粒子如何随时间演化的特殊量子算法以前从未实施过。”
Ghaemi说：“众所周知，量子力学是控制电子等基本粒子特性的潜在机制。但不幸的是，当我们想要研究大量电子的属性时，没有简单的方法可以使用量子力学方程，这些电子也由于它们的电荷而相互施加力。“然而，他的团队的发现改变了这一点，并提出了其他令人兴奋的可能性。
a）几何猝灭探测量子度量的波动〜g [16]。(b) 作为圆周 L2 的函数的圆柱体上 ν=1/3 Laughlin 状态的纠缠熵。对于足够大的圆周 L2≳5ℓB，熵遵循面积定律，具有接近预期值 -ln(3)/2（蓝星）的次引导校正。使用纠缠截断 Pmax=18 的矩阵积方法 [70, 71] 获得数据。如插图所示，在薄圆柱极限（阴影）附近，远程电子跳跃被强烈抑制
“另一方面，最近，在构建所谓的量子计算机方面取得了广泛的技术发展。这些新型计算机利用量子力学定律进行经典计算机无法进行的计算。”
Ghaemi 指出：“我们知道，当材料中的电子相互强烈相互作用时，可能会出现有趣的特性，例如高温超导性。我们的量子计算算法为研究由强电子-电子相互作用产生的材料特性开辟了一条新途径。因此，它可以潜在地指导对高温超导体等有用材料的研究。”
他补充说：根据他们的结果，他们现在可以考虑使用量子计算机来研究许多其他由固体中电子之间的强相互作用引起的现象。“通过开发类似于我们开发的量子算法，可以潜在地理解许多实验观察到的现象。”
《贝尔定理证明的实验量子密钥分配》
作者：Nadlinger, D.P., Drmota, P., Nichol, B.C.等——《自然》
一种称为量子密钥分配的方法长期以来一直保持着传统密码学无法实现的通信安全承诺。一个国际科学家团队现在首次通过实验证明了一种基于高质量量子纠缠的量子密钥分配方法，既提供比以前的方案更广泛的安全保证。
密码学的艺术是巧妙地转换消息，使它们对除了预期的接收者之外的每个人都毫无意义。现代密码方案，例如支持数字商务的那些方案，通过要求对手执行消耗大量计算能力的数学运算来防止对手非法破译消息（例如信用卡信息）。然而，从 20 世纪 80 年代开始，引入了巧妙的理论概念，其中安全性不依赖于窃听者的有限数字计算能力。相反，量子物理学的基本定律限制了对手最终可以截获多少信息（如果有的话）。在一个这样的概念中，只需对所使用的物理设备进行一些一般性假设，就可以保证安全性。这种“独立于设备”的方案的实施长期以来一直受到追捧，但仍然遥不可及。到现在为止，还是如此。来自牛津大学、EPFL、苏黎世联邦理工学院、日内瓦大学和 CEA 的国际研究小组报告了此类协议的首次演示，而这也是朝着提供如此精致安全性的实用设备迈出了决定性的一步。
安全通信就是保持信息的私密性。因此，令人惊讶的是，在现实世界的应用程序中，合法用户之间的大部分交易都是公开进行的。关键是发送者和接收者不必隐藏他们的整个通信。本质上，他们只需要分享一个“秘密”；在实践中，这个秘密是一串比特，称为加密密钥，它使拥有它的每个人都能够将编码消息转换为有意义的信息。一旦合法方在给定的一轮通信中确保只有他们共享这样的密钥，几乎所有其他通信都可以在显而易见的情况下发生，让每个人都能看到。那么，问题是如何确保只有合法方共享密钥。完成此操作的过程称为“密钥分配”。
例如，在 RSA（最广泛使用的加密系统之一）所依据的加密算法中，密钥分配基于（未经证实的）猜想，即某些数学函数易于计算但难以还原。更具体地说，RSA 依赖于这样一个事实，即对于今天的计算机来说，很难找到一个大数的素因数，而对他们来说，将已知的素因数相乘很容易得到那个数。因此，数学难度确保了保密性。但是今天不可能的事情明天可能会变得很容易。众所周知，量子计算机可以比经典计算机更有效地找到素因数。一旦拥有足够多量子比特的量子计算机可用，RSA 编码就注定会变得可渗透。
但量子理论不仅为破解数字商业核心的密码系统提供了基础，而且为该问题的潜在解决方案提供了基础：一种与 RSA 完全不同的密码密钥分发方式，而这种方式与执行数学运算的硬度无关，而是与基本物理规律有关。进入量子密钥分配，简称 QKD。
使用的两个离子阱之一，在图像的中心看到。在陷阱周围运行许多激光束线，用于离子的制备和操作。在捕集器的前面，可以看到连接到另一个捕集器（光纤）的量子网络末端。（照片来源：David Nadlinger/牛津大学）
1991 年，波兰裔英国物理学家 Artur Ekert 在一篇开创性的论文中表明，密钥分配过程的安全性可以通过直接利用量子系统独有的特性来保证，而经典物理学中没有对应的属性：量子纠缠。量子纠缠是指在独立的量子系统上执行的测量结果中的某些类型的相关性。重要的是，两个系统之间的量子纠缠是排他性的，因为没有其他任何东西可以与这些系统相关联。在密码学的背景下，这意味着发送者和接收者可以通过纠缠的量子系统在它们之间产生共享的结果，而第三方无法秘密获得有关这些结果的知识。任何窃听都会留下明显标记入侵的痕迹。简而言之：由于量子理论，合法方可以以根本超出任何对手控制的方式相互交流。在经典密码学中，等效的安全保证被证明是不可能的。
多年来，人们意识到基于 Ekert 提出的想法的 QKD 方案可以有一个更显着的好处：用户只需对过程中使用的设备做出非常一般的假设。相比之下，基于其他基本原理的早期 QKD 形式需要详细了解所用设备的内部工作原理。QKD 的新颖形式现在通常被称为“独立于设备的 QKD”（DIQKD），其实验实现成为该领域的主要目标。因此，这种突破性实验的兴奋现在终于实现了。
挑战的规模体现在团队的广度上，该团队由理论和实验方面的顶尖专家组成。实验涉及两个单离子，一个为发送方，一个为接收方，被限制在单独的捕获器中，这些捕获器与光纤链路相连。在这个基本的量子网络中，离子之间的纠缠是在数百万次运行中以创纪录的高保真度产生的。如果没有这种持续的高质量纠缠源，该协议就无法以实际有意义的方式运行。同样重要的是要证明纠缠得到了适当的利用，这是通过证明违反了称为贝尔不等式的条件来完成的。此外，为了分析数据和有效提取密钥，需要在理论方面取得重大进展。
在实验中，“合法方”，也就是离子，位于同一个实验室。但是有一条明确的路线可以将它们之间的距离延伸到千米甚至更远。从这个角度来看，再加上德国和中国在相关实验方面取得的进一步进展，现在确实有可能将 Ekert 的理论概念转化为实用技术。
《基于深度神经网络的量子模拟和准化学理论用于精确建模熔盐热力学》
作者：Yu Shi、Stephen T. Lam、Thomas L. Beck——《化学科学》
辛辛那提大学的一位化学家提出了一种研究熔盐热力学特性的新方法，这些熔盐被用于许多核能和太阳能应用
加州大学文理学院研究研究员兼计算化学家 Yu Shi 及其合著者开发了一种新的模拟方法，利用深度学习人工智能计算自由能。
熔盐是将盐加热到高温后变成液体。加州大学的研究人员研究了氯化钠，俗称食盐。Shi 说，熔盐的特性使其成为核电站冷却系统的宝贵介质。在太阳能塔中，它们可用于传递热量或储存能量。矛盾的是，虽然盐是绝缘体，但熔盐可以导电。
Shi 说：“熔盐在高温下很稳定，并且可以在液态下保持大量能量。它们具有良好的热力学特性。这使它们成为聚光太阳能发电厂的良好储能材料。它们可以用作核反应堆的冷却剂。”
这项研究可以帮助研究人员检查这些盐对金属容器造成的腐蚀，比如在下一代核反应堆中发现的那些。该研究提供了一种可靠的方法来研究溶解气体在熔盐中向蒸气的转化，帮助工程师了解不同杂质和溶质（溶解在溶液中的物质）对腐蚀的影响。Shi 说：它还将帮助研究人员研究潜在有毒气体向大气中的释放，这对第四代熔盐核反应堆非常有用。
Shi 说：“我们使用我们的准化学理论和我们的深度神经网络，我们使用量子模拟产生的数据进行训练，以化学精度模拟熔盐的溶剂化热力学。”
该研究的合著者 Thomas Beck 是加州大学化学系的前系主任，现在是田纳西州橡树岭国家实验室的科学参与部门负责人。Beck 说：熔融盐在加热时不会膨胀，不像水在高温下会产生极大的压力。
他补充说：“核反应堆内的压力上升了很多。这就是反应堆设计的难点——它会导致更多的风险和更高的成本。”
研究人员求助于加州大学的高级研究计算中心和俄亥俄超级计算机中心来运行模拟。
Beck 说：“在橡树岭，我们拥有世界上最快的超级计算机，因此我们的实验将花费更少的时间，但在典型的超级计算机上，运行这些量子模拟可能需要数周或数月的时间。”
该研究小组还包括马萨诸塞州洛厄尔大学的Stephen Lam。
Beck 说：“拥有这些盐的准确模型很重要。我们是第一个计算高温下氯化钠在液体中的自由能并将其与之前的实验进行比较的实验小组。所以我们证明了这是一种有用的技术。”
2020 年，Shi 和 Beck 在一项研究中利用准化学理论和水中钠离子的量子力学模拟建立了单离子水合的自由能标度。Shi 说，这是第一次使用量子力学计算带电溶质的溶剂化自由能。
Beck 说：熔盐对于开发新能源非常重要，甚至有一天可能会产生聚变能源。
他说：“他们提议使用熔盐作为高温反应堆的涂层冷却剂，但融合的路还更远。”
《具有捕获离子的通用 qudit 量子处理器》
作者：Martin Ringbauer、Michael Meth、Lukas Postler、Roman Stricker、Rainer Blatt、Philipp Schindler、Thomas Monz——《自然物理》
几十年来，计算机一直是二进制信息的代名词，也就是0 和 1。现在，奥地利因斯布鲁克大学的一个团队实现了一种量子计算机，它突破了这种范式并解锁了额外的计算资源，隐藏在当今几乎所有的量子设备中。
我们都很早就知道计算机使用 0 和 1，也称为二进制信息。这种方法非常成功，以至于现在计算机为从咖啡机到自动驾驶汽车的所有东西提供动力，很难想象没有它们的生活。在这一成功的基础上，今天的量子计算机在设计时也考虑到了二进制信息处理。来自奥地利因斯布鲁克的实验物理学家 Martin Ringbauer 解释说：“然而，量子计算机的构建模块不仅仅是 0 和 1，将它们限制为二进制系统会阻止这些设备发挥其真正潜力。”
由因斯布鲁克大学实验物理系的 Thomas Monz 领导的团队现在成功开发了一种量子计算机，该计算机可以使用所谓的量子数字 (qudits) 执行任意计算，从而以更少的量子粒子释放更多的计算能力。
尽管以 0 和 1 存储信息并不是最有效的计算方式，但它是最简单的方式。简单通常还意味着可靠且对错误具有鲁棒性，因此二进制信息已成为经典计算机无可质疑的标准。在量子世界中，情况就大不相同了。例如，在因斯布鲁克量子计算机中，信息存储在单个捕获的钙原子中。这些原子中的每一个自然有八种不同的状态，其中通常只有两种用于存储信息。事实上，几乎所有现有的量子计算机都可以访问比它们用于计算的更多的量子状态。
来自因斯布鲁克的物理学家现在开发了一种量子计算机，可以通过使用量子比特计算来充分利用这些原子的潜力。与经典案例相反，使用更多状态并不会降低计算机的可靠性。Thomas Monz 说：“量子系统自然不止两种状态，我们证明了我们可以同样很好地控制它们。”另一方面，许多需要量子计算机的任务，例如物理、化学或材料科学中的问题，也很自然地用四量子比特语言表达。为了量子比特重写它们往往会使它们对今天的量子计算机来说过于复杂。Martin Ringbauer 解释说：“不仅对于量子计算机，而且对于它的应用来说，使用超过 0 和 1 是非常自然的，这使我们能够释放量子系统的真正潜力。”
《Floquet 对称保护拓扑相的数字量子模拟》
作者：Xu Zhang、Wenjie Jiang、Jinfeng Deng、Ke Wang、Jiachen Chen、Pengfei Zhang、Wenhui Ren、Hang Dong、Shibo Xu、Yu Gao、Feitong Jin、Xuhao Zhu、Qiujiang Guo、Hekang Li、Chao Song、Alexey V. Gorshkov、Thomas Iadecola、Fangli Liu、Zhe-Xuan Gong、Zhen Wang、Dong-Ling Deng、H. Wang——《自然》
物理学家已经证明了使用量子计算的模拟如何能够观察到物质脱离其正常平衡的独特状态。这种新的物质状态有朝一日可能会促成快速、强大的量子信息存储和精密测量科学的发展。
Thomas Iadecola 完成了最新研究论文的标题，其中包括他的理论和分析工作，耐心地解释了数字量子模拟、Floquet 系统和对称保护拓扑相。然后他对非平衡系统、时间晶体、2T 周期性和 2016 年诺贝尔物理学奖进行了解释。
Iadecola 的量子凝聚态物理学一角——研究物质状态如何从原子和亚原子粒子的集合中出现——可能是反直觉的，并且在大多数转折和术语中需要解释。正如瑞典皇家科学院在宣布 2016 年物理学奖授予 David Thouless、Duncan Haldane 和 Michael Kosterlitz 时所解释的那样，研究人员正在揭示越来越多的奇异物质的秘密，“一个未知的世界，物质在可以假设奇怪的状态。”
由爱荷华州立大学物理学和天文学助理教授 Iadecola 和艾姆斯国家实验室科学家合著的这篇新论文描述了使用量子计算进行的模拟，该模拟能够使人们观察到物质脱离正常平衡的独特状态。该论文的通讯作者是中国北京清华大学的 Dong-Ling Deng。Deng 和 Iadecola 于 2017 年和 18 年在马里兰大学曾作为博士后研究人员一起工作。
作者在论文摘要中写道：“我们的工作为探索新的物质非平衡阶段铺平了道路。”
对你我来说，这些新奇的物质状态有朝一日可以为新技术提供独特而有用的特性。量子信息处理中的可能应用包括精密测量科学和信息存储。Iadecola 是这个项目的辅助科学家，他贡献了理论工作和数据分析。例如，他说：“在这样的合作项目中，我的角色是帮助定义实验者需要解决的问题。”他们在本文中回答的主要问题是如何使用量子计算平台来研究和理解奇异的物质状态。
Iadecola 说：“这篇论文展示了研究人员拥有一个非常好的数字量子模拟平台，这个平台也可以应用于量子多体物理中的其他有趣问题。”
虽然该项目完全是关于理论和教育，但摘要称它将“着眼于新兴的量子技术”。
Iadecola 说：“我们正在考虑新现象。在当今的量子硬件上实现这些现象可以为我们在量子信息处理中的这些应用奠定基础。”
其他参考资料：
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主要参考资料：学术研究
《高级量子技术》
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《科学日报》
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《自然》
参考文献：
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https://www.researchandmarkets.com/reports/5010716/quantum-computing-market-research-report-by?utm_source=dynamic&utm_medium=GNOM&utm_code=4m3fxs&utm_campaign=1375670+-+Worldwide+Quantum+Computing+Market+(2019+to+2030)+-+Drivers%2c+Restraints+and+Opportuni
3.《一种面向远程用户的独立于设备的量子密钥分发系统》：
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6.《B11中与Be11的β延迟质子发射相关的近阈值共振的证据》：
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7.《蜂窝晶格上的螺旋自旋液体》：
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9.《贝尔定理证明的实验量子密钥分配》：
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