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来自研究机构

量子临界性可能是量子比特设计者的福音

令人惊讶的行为可以保护存储在量子比特中的信息

日期:
2019年8月26日
来源:
莱斯大学
简介:
物理学家在研究被称为重费米子的金属合金的奇怪行为时,有了一个惊人的发现,这个发现可能有助于保护存储在量子比特中的信息,量子比特是量子计算机中编码信息的基本单位。
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物理学家在研究被称为重费米子的金属合金的奇怪行为时,有了一个惊人的发现,这个发现可能有助于保护存储在量子比特中的信息,量子比特是量子计算机中编码信息的基本单位。

在书房里美国国家科学院院刊来自赖斯大学和奥地利维也纳理工大学的研究人员研究了铈、钯和硅的金属间晶体在极端寒冷和强磁场下的行为。令他们惊讶的是,他们发现他们可以以两种独特的方式改变材料的量子行为,一种是电子竞争占据轨道,另一种是它们竞争占据自旋态。

赖斯大学量子材料中心(RCQM)主任、该研究的联合通讯作者齐淼·斯(Qimiao Si)说:“这种效应在一个自由度上非常明显,最终会解放另一个自由度。”“你基本上可以调整系统,使其中一种损害最大化,而另一种则定义良好。”

Si表示,这一结果对谷歌、IBM、英特尔和其他竞争开发量子计算机的公司可能很重要。与今天使用电或光来编码信息比特的数字计算机不同,量子计算机使用亚原子粒子(如电子)的量子态来将信息存储在量子位中。一台实用的量子计算机可以在许多方面胜过数字计算机,但这项技术仍处于起步阶段,主要障碍之一是量子比特内部量子态的脆弱性。

“如果你希望确保存储在量子位中的信息不会因背景干扰而改变,你需要一个定义良好的量子态,”Si说。

每个电子都像一个旋转的磁铁,它的自旋用两个值中的一个来描述,向上或向下。在许多量子比特设计中,信息被编码在这些自旋中,但这些状态可能非常脆弱,即使是微量的光、热、振动或声音也会导致它们从一种状态翻转到另一种状态。最大限度地减少因这种“退相干”而丢失的信息是量子比特设计中的一个主要问题,Si说。

在这项新研究中,Si与维也纳工业大学的长期合作伙伴Silke Paschen一起研究了一种材料,在这种材料中,电子的量子态不仅在自旋方面而且在轨道方面都被打乱了。

他说:“我们设计了一个系统,在一些理论模型中实现,同时在一种材料中实现,其中自旋和轨道几乎处于相等的基础上,并且强烈耦合在一起。”

从2012年之前的研究中,Si、Paschen和同事们知道,化合物中的电子可以发生如此强烈的相互作用,以至于材料在极冷的温度下会发生巨大的变化。在这个“量子临界点”的两侧,关键轨道上的电子将以完全不同的方式排列自己,而位移完全是由于它们之间的量子相互作用而发生的。

早期的研究引用了Si和合作者在2001年开发的一个著名理论,该理论规定了这些局部电子(合金内部原子的一部分)的自旋如何在量子临界点与自由流动的传导电子强耦合。根据这种“局部量子临界”理论,当材料冷却并接近临界点时,局域电子和传导电子的自旋开始竞争,以占据特定的自旋态。量子临界点是一个临界点,在这个临界点上,竞争破坏了局域电子的有序排列,它们与传导电子完全纠缠在一起。

尽管Si研究量子临界性已有近20年,但他对Paschen最新实验的结果感到惊讶。

“新数据让我们所有人都完全困惑,”他说。“也就是说,直到我们意识到这个系统不仅包含自旋,还包含轨道作为活跃自由度。”

有了这样的认识,Si的团队,包括莱斯大学的研究生Ang Cai,建立了一个包含自旋和轨道的理论模型。他们对模型的详细分析揭示了一种令人惊讶的量子临界形式,为实验提供了清晰的理解。

“无论是从理论模型的角度还是从实验的角度来看,这对我来说都是一个冲击,”他说。“尽管这是一团东西——自旋、轨道都彼此强耦合,并与背景传导电子耦合——但我们可以在一个参数下解决这个系统中的两个量子临界点,这个参数就是磁场。在每一个量子临界点,只有自旋或轨道驱动量子临界。另一个人或多或少是个旁观者。”

Si是莱斯大学物理与天文系的Harry C. and Olga K. Wiess教授。爱博网站

该研究的共同主要作者是蔡和瓦伦蒂娜·马尔泰利(Valentina Martelli),他们曾在维也纳理工大学工作,现在在巴西圣保罗大学工作。其他共同作者包括刘家川和赖新华,他们都是赖斯大学的;艾米利安·尼卡(Emilian Nica),曾供职于莱斯大学,目前就职于英属哥伦比亚大学;荣宇,前莱斯大学,现任中国人民大学;马修·陶平、安德烈·普罗科菲耶夫、戴安娜·盖格、乔纳森·海内尔和胡里奥·拉雷亚,均来自维也纳工业大学;佛罗里达大学的Kevin Ingersent;德国德累斯顿马克斯普朗克固体化学物理研究所的Robert k chler;以及南非约翰内斯堡大学的Andre Strydom。

本研究得到国家科学基金(DMR-1920740, CNS-1338099, PHY-1607611, DMR-1508122), Robert A. Welch基金会(C-1411),陆军研究办公室(ARO-W911NF-14-1-0525, ARO-W911NF-14-1-0496),奥地利科学基金(P29296-N27, DK W1243),欧洲研究委员会(高级资助227378),里约热内卢州卡洛斯查加斯菲略研究支持基金(201.755/2015),中国国家自然科学基金(11674392),巴西国家科学基金(201.755/2015)。中国科学技术部(2016YFA0300504)、南非国家研究基金(93549)、约翰内斯堡大学和南非皇家科学院资助。

RCQM利用全球伙伴关系和20多个莱斯大学研究小组的优势来解决与量子材料相关的问题。RCQM由莱斯大学的教务长和副教务长办公室、维斯自然科学学院、布朗工程学院、小旋研究所以及物理与天文、电气与计算机工程、材料科学与纳米工程等部门提供支持。爱博网站

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故事来源:

材料所提供的莱斯大学。由Jade Boyd原创。注:内容可能会根据风格和长度进行编辑。


期刊引用

  1. Valentina Martelli, Ang Cai, Emilian M. Nica, Mathieu Taupin, Andrey Prokofiev,刘家川,赖新华,俞荣,Kevin Ingersent, Robert k chler, andr M. Strydom, Diana Geiger, Jonathan Haenel, Julio Larrea, Qimiao Si, Silke Paschen。复杂电子流体的顺序定位美国国家科学院院刊, 2019;201908101 . DOI:10.1073 / pnas.1908101116

引用此页

莱斯大学。“量子临界性可能是量子比特设计者的福音:令人惊讶的行为可以保护存储在量子比特中的信息。”《科学日报》。《科学日报》,2019年8月26日。< www.koonmotors.com/releases/2019/08/190826112651.htm >。
莱斯大学。(2019年8月26日)。量子临界性可能是量子比特设计者的福音:令人惊讶的行为可以保护存储在量子比特中的信息。《科学日报》。2023年6月22日检索自www.koonmotors.com/releases/2019/08/190826112651.htm
莱斯大学。“量子临界性可能是量子比特设计者的福音:令人惊讶的行为可以保护存储在量子比特中的信息。”《科学日报》。www.koonmotors.com/releases/2019/08/190826112651.htm(2023年6月22日访问)。

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