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意味着什么?首次目睹准粒子的量子力学干涉!

关键词:物理 量子计算 今日头条 科学   发布时间:2019-11-09 08:00:02
意味着什么?首次目睹准粒子的量子力学干涉!

博科园:本文为量子物理学类

量子位是量子计算中用来编码信息的单位,并非所有量子位都是一样的。一些研究人员认为,拓扑量子位元可能是推动量子计算向前发展的最佳媒介。一些研究人员认为拓扑量子比较强,对环境噪声的影响也更小。量子物理学研究的是基本粒子如何相互作用,有时会聚集在一起形成新的准粒子。

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准粒子出现在奇特的理论模型中,但通过实验观察和测量它们一直是一个挑战。随着一种可以使研究人员探测准粒子干涉的新设备问世,我们可能又向前迈进了一大步,这些发现发表在2019年3月4日的《自然物理》期刊上。迈克尔·曼夫拉(Michael Manfra)表示,我们能够通过让这些粒子相互干涉来探测它们

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博科园-科学科普:人们尝试这么做已经很长时间了,但一直存在重大的技术挑战。为了研究这么小的粒子,Manfra团队使用晶体生长技术,一个原子层一个原子层地构建微小的器件,这种技术被称为分子束外延。这些器件非常小,以致于它们把电子限制在二维空间内。

就像大理石在桌面上滚动一样,它们不能上下移动。如果设备或“桌面”足够干净和光滑,那么主导实验物理学的不是电子的个别行为,而是它们如何相互作用。为了将单个粒子的能量降到最低,曼夫拉团队将它们冷却到极低的温度——大约零下460华氏度(237.78摄氏度)。

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此外,电子受到大磁场的作用,在这三个条件下:极端寒冷的温度,限制在二维空间,暴露在磁场中,真正奇怪的物理现象开始发生。物理学家称之为分数量子霍尔体系。在这些奇异的条件下,电子可以自行排列,使基本物体看起来像是携带了三分之一的电子电荷,研究人员认为基本粒子要么是玻色子,要么是费米子,这取决于粒子的自旋,但准粒子在围绕彼此演化时,其行为要复杂得多。确定这些状态的电荷和统计性质是量子物理学中一个长期存在的挑战。为了使这些粒子相互干涉干扰,曼夫拉研究小组制造了一台干涉仪:

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  • 这些发现为拓扑量子位的发展铺平了道路。图片:Purdue University/James Nakamura

一种将两个或多个准粒子源融合在一起以产生干涉图样的装置。如果把两块石头扔进池塘,它们的波在某一点相交,这就是它们产生干涉的地方,图案就会改变。但是在更小范围内复制这些效果是极其困难。在这样一个狭小的空间里,电子往往会相互排斥,所以将另一个电子放入空间需要额外的能量。这往往会扰乱干死效应,使研究人员无法清楚地看到它们。普渡大学干涉仪克服了这一难题,在距离干涉准粒子仅25纳米的地方添加了金属板。金属板屏蔽了排斥性相互作用,降低了能源成本,并允许干扰发生。

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新设备每一面都有相同的墙壁和金属门,有点像弹珠机。但不像弹珠,它在周围混乱地散射,电子在这个设备遵循一个非常严格的模式。普渡大学(Purdue)博士生、论文第一作者詹姆斯·中村(James Nakamura)说:量子霍尔效应的神奇之处在于,所有电流都将在样本的边缘流动,而不是通过样本的中间,当准粒子穿过光束分离器时,它们在量子力学意义上被一分为二。这在两个分光器上发生了两次,干涉发生在两个不同的路径之间。

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在这样一个奇异的物理领域,研究人员很难知道他们认为自己看到的是不是他们实际看到的。但这些结果表明,研究人员已首次目睹准粒子的量子力学干涉。这个机制也可以帮助以后拓扑量子位的发展。这是尝试做更复杂实验的唯一可行平台。在更复杂状态下,这些实验可能是拓扑量子位的基础。研究人员已经尝试了一段时间,最终目标是验证这些非常奇怪的属性。还没有完全做到这一点,但已经证明这是最好的前进方式。

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博科园-科学科普|研究/来自: 普渡大学

参考期刊文献:《Nature Physics》

DOI: 10.1038/s41567-019-0441-8

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