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    科学家在量子信息传输中斩获新高度

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      普朗克

      【博科园-科学科普(关注“博科园”看更多)】当到“信息技术”时,通常指的是技术部分,比如计算机、网络和软件。但信息本身及其在量子系统中的行为,是麻省理工学院跨学科量子工程集团(QEG)的中心重点,因为它致力于开发量子计算和其他量子技术的应用。QEG团队通过一种新的测量方法和在物理评论快报上的一篇新文章中描述的度量方法,为大型量子力学系统中的信息传播提供了前所未有的可见性。该团队首次利用室温固态核磁共振(NMR)技术对氟磷灰石晶体中量子自旋的相关性进行了测量。越来越多的研究人员认为,对信息传播的更清晰的理解,不仅对理解量子领域的运作至关重要,因为在量子领域,经典物理定律通常并不适用,但也可以帮助设计量子计算机、传感器和其他设备的内部“布线”。

      科学家在量子信息传输中斩获新高度

      Quantum Engineering Group(QEG)实验室的NMR光谱仪。图片版权:Paola Cappellaro

      一种关键的量子现象是非经典的相关,即纠缠,在这种关系中,一对或一组粒子相互作用,以至于它们的物理性质不能被独立地描述,即使是在粒子被广泛分离的情况下。这种关系是物理学、量子信息论快速发展领域的核心。它提出了一种新的热力学观点,即信息和能量是相互关联的,即信息是物理的,而量子级的信息共享是熵和热平衡的普遍趋势,在量子系统中被称为热化。埃斯特和哈罗德·e·埃哲顿(Harold E. Edgerton)是核科学与工程学院的副教授,他与物理学研究生肯·玄伟(Ken Xuan Wei)以及长期合作的达特茅斯学院(Dartmouth College)的钱德拉塞卡·拉曼纳坦(Chandrasekhar Ramanathan)共同撰写了这篇论文。

      Cappellaro解释说,这项研究的主要目的是测量两种状态之间的量子级斗争:热化和局部化,这是一种信息传递受限的状态,而更高的熵的倾向某种程度上是通过无序来抵抗的。QEG团队的工作集中在多体定位(MBL)的复杂问题上,即自旋自旋相互作用的作用至关重要。在实验室中通过实验收集这些数据的能力是一个突破,部分原因是量子系统的模拟和本地化的热化过渡对于当今最强大的计算机来说是极其困难的。“当你有互动的时候,问题的大小就变得非常棘手。你可以用蛮力模拟大概12个旋转,但这是差不多的——比实验系统能探测到的要少得多。NMR技术可以揭示自旋之间的相关关系,因为在应用磁场下,相关自旋的旋转速度比孤立的自旋快。然而传统的NMR实验只能提取有关相关性的部分信息。QEG研究人员将这些技术与他们对晶体中自旋动力学的知识相结合,其几何结构近似地将进化限制为线性旋转链。

      这种方法使我们能够计算出一个度量,平均相关长度,因为在一个链中有多少个自旋是相互连接的。除了能够区分不同类型的本地化(如MBL和更简单的Anderson本地化)之外,该方法还代表了通过引入无序来控制这些系统的可能的进展,这将促进本地化。因为MBL保存信息并防止它变得混乱,所以它具有内存应用程序的潜力。研究的焦点地址热力学的基础,一个非常基本的问题的问题为什么系统使热化甚至存在温度的概念,前麻省理工学院博士后伊玛尼Marvian。他现在是杜克大学助理教授物理和电气和计算机工程的部门。在过去的10年里,有越来越多的证据,从分析论证到数值模拟,即使系统的不同部分相互作用,在MBL阶段系统中也不会有热。我们现在能在实际的实验中观察到这一点非常令人兴奋。

      科学家在量子信息传输中斩获新高度

      自旋链中的量子多体相关性从没有障碍时的初始局部化状态发展而来,但通过平均相关长度来衡量,受限于障碍的有限尺寸。图片版权:Paola Cappellaro

      人们已经提出了不同的方法来检测这一阶段的物质,但是他们在实验室中很难测量。Paola的研究小组从一个新的角度研究了它,并引入了可以测量的数量。他们能够从NMR实验中提取出MBL的有用信息,这让我印象深刻。这是一个巨大的进步,因为它可以在天然水晶上试验MBL。这项研究能够利用美国空军之前授予的nmrna相关能力,以及国家科学基金会的一些额外资助。这个研究领域的前景很有希望。在很长一段时间里,大多数人体内的量子研究都集中在平衡性质上。现在,因为我们可以做更多的实验并且想要设计量子系统,我们对动力学有更大的兴趣,并且有新的项目专门研究这个领域。希望我们能得到更多的资金,继续工作。

      • 知识:科学无国界,博科园-科学科普

      • 参考:物理评论快报

      • 内容:经“博科园”判定符合今主流科学

      • 来自:麻省理工学院

      • 编译:中子星

      • 审校:博科园

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