量子物理学 - Mandarinian

噪声，量子计算的意想不到的盟友咖啡和定理| 科学

量子力学的思想出现一个多世纪后，继续产生令人惊讶的结果。其中，量子计算有望催生出最强大的计算机，占据了突出的地位。但要有效地利用这些设计，它们面临着一个严重的困难：它们的操作对噪音极其敏感以至于无法执行复杂的计算。根据最近的研究结果，数学可以描述这种现象并改进现有的量子算法。噪声的出现是由于系统与环境的相互作用，其中温度导致原子随机移动。它的作用是腐败量子位的状态，量子计算机的基本信息处理单元。这会引入在执行复杂算法时传播的错误，从而破坏了所有计算潜力第一的可以提供这种新的计算形式。更多信息面对这个问题，最明显的选择是将工作温度降低到可能的极限，或者构建具有最高抗噪性的量子处理器。然而，尽管在这两个方面做出了努力，但当前的技术似乎已经在这些方法中触底。这就是数学，特别是复杂代数发挥至关重要作用的地方。首先，它们使我们能够对量子计算机中发生的过程进行建模，分析噪音。此外，这些研究的结论使我们能够设计出更为稳健的算法，从而即使存在噪声，结果也可接受。噪声建模为量子信道什么他们描述了信息在计算机上运行时如何在量子算法中传播。这些渠道是一组与系统的量子态相互作用并修改它们的数学运算。比如说他幅度通道产生量子态能量的减少——类似于减慢任何运动的摩擦——而相位通道表示由一种状态组合转变为另一种状态组合而导致的信息丢失。这个公式的结果是一组方程，描述了错误如何在量子系统中传播和累积。它还使我们能够识别噪声源并设计量子算法。纠错实时。纠错码的作用类似于西班牙国民身份证件末尾的字母，可以检测和纠正错误数字。在量子噪声的背景下，这些代码被描述为酉泡利矩阵。这些转换通过将信息的副本分布在多个量子位（通常称为代码块）上，为初始量子信息提供冗余的编码结构。这些编码通过识别原始信息与代码块中存储的信息之间的差异来实现错误检测。此外，一旦在量子态中检测到错误，就可以应用基于泡利算子的特定校正操作。这些操作有助于扭转量子错误的影响并立即将量子位恢复到正确的状态。除了尝试减轻或校正量子噪声之外，最近还提出了一些方法利用噪音有利的是，它们可以在嘈杂的环境中提供出色的结果。具体的，已经显示过某些量子机器学习算法，例如所谓的量子储库计算能够战略性地利用噪音。该算法使用随机量子电路来揭示隐藏在输入数据集中的相关信息。然后，该信息由负责生成准确预测的机器学习算法进行处理。所讨论的量子电路通常由一系列随机互连的量子门和量子位组成，充当临时存储器。这些电路利用量子力学的固有特性（例如叠加和纠缠）来同时探索多种潜在的量子变换。此过程有助于有效提取相关信息，这对于算法的成功至关重要。这种量子算法的优点在于它能够战略性地利用电路中的固有噪声。在这种情况下，噪声给算法带来了更大的可变性，增强了其从输入数据中提取复杂信息的能力。因此，生成的最终预测的质量和准确性显着提高。这种方法开发于各种工作已被证明在广泛的应用中有效，包括 […]

什么是分形？它如何帮助我们理解世界？

分形几何在自然界中很常见 Shutterstock/萨宾·霍特布施你几乎肯定见过计算机生成的分形——美丽、迷幻的图像，当你越陷越深时，色彩缤纷、错综复杂的结构就会无限重复。从形式上来说，分形是无限复杂的模式，在不同尺度上都是自相似的。但是，与几何学相呼应，分形可以帮助我们在多个层面上更好地理解世界。让我们从熟悉的事物开始：自然界中的分形。 “它们就在我们周围——在树木、山脉、河流三角洲等等，”说戴夫·费尔德曼在缅因州巴港的大西洋学院。这种普遍存在是有道理的，因为分形的形成方式是这样的：“一个简单的迭代过程——重复折叠或分支——就可以产生分形”，他说。不过，这些形式并不仅仅是为了观赏。你的肺部内部是分形的原因在于：这种安排将巨大的表面积塞进很小的空间。这就是进化解决最大化组织吸收氧气面积问题的方法。然而，分形之所以令人困惑，是因为它们吸引数学家的原因，尤其是作为探索数字的游乐场。这就是我们遇到分形维度的地方。在我们的日常生活中，直线是一维的，正方形或矩形是二维的，立方体或球体是三维的。但分形结构的维度介于这些值之间。虽然很大程度上无法想象，但你可以把它们看作是分形包含的复杂性的度量……

脆弱的量子纠缠可能在化学反应的混乱中幸存下来

过冷原子的量子特性令人惊讶地经受住了化学反应 Panther Media GmbH/Alamy 研究人员发现，奇怪的量子现象可以在化学反应的破坏中幸存下来。这最终可能对新兴量子技术有用，或者揭示自然界中令人惊讶的量子性。 “通常，人们将化学反应描述为非常混乱的事情：你把一大堆原子放在那里，它们会做一点‘舞蹈’，然后当产物形成时，它们就会飞出去，”说 Lingbang Zhu 在哈佛大学。他和他的同事着手研究这对分子的量子特性有何影响。分子的量子特性在极低的温度下最为突出，因此研究人员在仅高于十亿分之一度的温度下研究了钾和铷原子绝对零度。为了实现这种冷却，他们将原子放入密闭室中，并应用激光束、磁场和微波脉冲的精确组合给他们降温并将它们结合成分子。这些分子自发地发生化学反应，但朱和他的同事小心地控制了它们的初始量子态，包括它们的相干性和纠缠。反应后，他们评估了所得产物的量子特性。这些分子成功地保持了它们的相干性或波状特性——以至于它们重叠并相互干扰彼此就像两个波峰和波谷不匹配的常规波。 Yong Chen 印第安纳州普渡大学的科学家表示，这样的实验为量子研究的新阶段打开了大门，科学家们不仅被动地发现量子特性，而且还寻找控制它们的方法。然而，他说，未来的实验仍然可以更直接地诊断分子的纠缠。主题：化学 / 量子物理学 2024-05-16 19:00:55 1715918675

脆弱的量子纠缠可能在化学反应的混乱中幸存下来

过冷原子的量子特性令人惊讶地经受住了化学反应 Panther Media GmbH/Alamy 研究人员发现，奇怪的量子现象可以在化学反应的破坏中幸存下来。这最终可能对新兴量子技术有用，或者揭示自然界中令人惊讶的量子性。 “通常，人们将化学反应描述为非常混乱的事情：你把一大堆原子放在那里，它们会做一点‘舞蹈’，然后当产物形成时，它们就会飞出去，”说 Lingbang Zhu 在哈佛大学。他和他的同事着手研究这对分子的量子特性有何影响。量子物体既可以充当粒子，也可以充当波。研究人员关注的是一种称为相干性的特性，它反映了分子的波状特征。量子纠缠与相干性密切相关，它使物体即使相隔很远的距离也能密不可分地联系在一起。因此，该实验提供了对化学反应过程中纠缠命运的深入了解。分子的量子特性在极低的温度下最为突出，因此研究人员在绝对零以上仅十亿分之一度的温度下研究了钾和铷原子。为了实现这种冷却，他们将原子放置在一个无空气的室中，并应用激光束、磁场和微波脉冲的精确组合来冷却它们并将它们组合成分子。这些分子自发地发生化学反应，但朱和他的同事小心地控制了它们的初始量子态，包括它们的相干性和纠缠。反应后，他们评估了所得产物的量子特性。这些分子成功地保持了它们的相干性，或者说波状特性，以至于它们相互重叠和干扰，就像两个波峰和波谷不匹配的传统波一样。 Yong Chen 印第安纳州普渡大学的科学家表示，这样的实验为量子研究的新阶段打开了大门，科学家们不仅被动地发现量子特性，而且还寻找控制它们的方法。然而，他说，未来的实验仍然可以更直接地诊断分子的纠缠。朱说，该团队目前正在研究如何利用分子的量子特性来控制反应产生的产物种类或数量，并收集自然界中发生的化学反应是否可能包含比之前想象的更多量子性的线索。主题：化学 / 量子物理学

一组研究人员开发了一种使用传统系统执行量子计算的公式技术

100% 功能齐全的量子计算机目前还没有出现，尽管它已经越来越接近了。然而，基于这种物理学的计算的潜力，能够解开微生物暗物质（尚未揭示的微生物遗传物质），发现新的药用分子，识别基因组的每一块砖或优化复杂的金融或工业流程，它是急需寻找捷径。 BBVA 研究人员认为专门从事该学科的团队在公共和私人的参与下，他们利用经典服务器和开源编程实现了分布式量子模拟，任何机构都可以复制，无需超级计算机或基于亚原子世界奇异特征的精密计算机。也就是说，一种利用当前技术进行量子计算的方法，任何人都可以使用并且触手可及。我们所感知的物质世界是一种错觉，柏拉图洞穴的阴影被发挥到了极致。如果我们能够将自己压缩到亚原子大小，我们就会感知到一个维度，在这个维度中我们可以同时处于两种状态（叠加），存在隐形传态，能量传导无损失（超导性），存在无摩擦流动（超流性）和奇怪的编排标志着粒子的相互作用（拓扑顺序）。更多信息解开整个宇宙将使我们能够回答诸如我们是什么以及我们来自哪里之类的基本问题，而且还可以利用其特性进行量子计算等实际应用，从而获得经典计算无法实现的功能。根据最乐观的预测，能够无差错地执行量子算法的计算机还剩十年的时间。它的主要挑战是噪声（简单的微波或温度变化可能会破坏该过程）和相干时间，即维持状态叠加的微秒，这会指数级地提高计算能力。然而，有一条捷径，那就是 BBVA 研究人员的发现。 “我们已经成功地使用经典机器模拟量子算法的执行，将总计算能力扩展到 38 个量子位。” [bits cuánticos] 并在理想的量子计算机中取得了预期的结果，”BBVA CIB 技术架构创新领域负责人 Javier Recuenco 总结道。 “通过使用经典计算机进行模拟，我们避免了相干时间和噪声的问题。我现在可以运行模拟几个小时，”他解释道，并添加了另一个基本元素：“算法随着量子位数量的增加而增长，我需要更多的功率。所有这些都必须分布在内存中，我们需要大量内存才能使其正常工作。使用分布式量子模拟器变得必要。” 新系统并不渴望超越完全容错的量子计算机的能力（如果这是现实的话），而是利用现有工具的量子计算的优势，尽管存在局限性。 “它的成本非常高，”Recuenco 在谈到用于概念验证的资源时承认，在云中演示所提出的方法，这一次是在亚马逊网络服务及技术改造公司瓦斯。他们一直停留在 38 个量子位，但他们相信它是可扩展的。一台 38 位的经典计算机只能表示那么多不同的状态。然而，由于叠加特性，相同数量的量子位可以同时表示和操纵 2^38，这使得量子位可以同时处于状态 0、状态 1 或两者的任意组合。因此，38 量子位的量子计算可以同时表示大约 2740 亿个不同的状态。分布式量子模拟首先应用于投资组合优化、风险计算和寻找图中的最短路径（寻找顶点或节点之间的最佳路径的经典问题）。 “但它可以适用于任何领域。 […]

薛定谔的猫如何让量子计算机更好地工作

艺术家的量子计算机概念图萨克梅斯特克/阿拉米受薛定谔猫启发的量子位在量子计算实验中成功地在异常长的时间内避免了错误。这可能使其成为未来更可靠的量子计算机的有前景的构建模块。研究人员长期以来一直认为量子计算机可以解决传统计算机无法解决的问题，但迄今为止这种能力的演示很少。这是因为量子计算机在计算时容易出错，但构建一台强大到足以纠正自身错误的量子计算机在技术上是困难的。扎基·莱格塔斯法国巴黎高等师范学院和他的同事与量子计算初创公司合作爱丽丝和鲍勃，现在已经创建了一个量子位，或者说量子位，可以在前所未有的 10 秒时间内避免犯一种特别常见的错误。他们通过将光捕获在芯片上的一个小孔中来制造量子位，芯片上充满了由完美导电或“超导”电线制成的微小电路。光可以在孔内以两种不同的方式来回振荡。但该团队并没有强迫它只以一种方式振荡，而是让它同时做两种振荡——创造一种量子叠加，类似于埃尔文·薛定谔著名的思想实验中涉及猫的量子叠加。因此，这种类型的量子位被称为“猫量子位”。 Leghtas 表示，十多年来，物理学家一直认为猫量子位应该特别不可能出现所谓的位翻转错误，这相当于传统计算机中的数字 0 自发地变成 1，反之亦然。但证明实验室中的猫量子位对位翻转具有如此大的抵抗力并不容易。他说，多年来，他和他的同事每隔几毫秒就会检测到他们的猫量子位中的位翻转错误。然而，最近他们意识到，许多错误实际上是由他们测量猫量子位状态的方式引起的。重新设计该流程使他们实现了重大技术飞跃：他们的猫量子位现在可以在不发生位翻转的情况下运行 10 秒，这比过去任何实验的时间长 10,000 倍。到目前为止，研究人员只构建了一个具有这种特性的猫量子位，但构建更多的猫量子位可能是迈向可靠有用的量子计算机的一步。这是因为用猫量子位构建的计算机可以将更多的量子位用于计算，而不是只保留一些用于计算并使用其他量子位来纠正计算量子位中的位翻转错误。 Leghtas 表示，与其他涉及超导电路的量子位设计相比，使用这些猫量子位可以将纠错所需的量子位数量减少约 10 倍。克里斯蒂安·安徒生荷兰代尔夫特理工大学的一位教授表示，虽然位翻转之间的 10 秒对于量子位来说是很长的时间，但这并不是唯一重要的量子位属性。在使猫量子位对位翻转错误更具弹性和使其无意中更容易出现其他类型的错误之间存在权衡。他说，未来的研究必须找到最实用的方法来解决这个问题。 “这真的很酷，这是一个很好的进步，但也存在很多挑战，”安德森说。主题： 1715150850 #薛定谔的猫如何让量子计算机更好地工作 2024-05-06 16:00:36

薛定谔的猫如何让量子计算机更好地工作

艺术家的量子计算机概念图萨克梅斯特克/阿拉米受薛定谔猫启发的量子位在量子计算实验中成功地在异常长的时间内避免了错误。这可能使其成为未来更可靠的量子计算机的有前景的构建模块。研究人员长期以来一直认为量子计算机可以解决传统计算机无法解决的问题，但迄今为止这种能力的演示很少。这是因为量子计算机在计算时容易出错，但构建一台强大到足以纠正自身错误的量子计算机在技术上是困难的。扎基·莱格塔斯法国巴黎高等师范学院和他的同事与量子计算初创公司合作爱丽丝和鲍勃，现在已经创建了一个量子位，或者说量子位，可以在前所未有的 10 秒时间内避免犯一种特别常见的错误。他们通过将光捕获在芯片上的一个小孔中来制造量子位，芯片上充满了由完美导电或“超导”电线制成的微小电路。光可以在孔内以两种不同的方式来回振荡。但该团队并没有强迫它只以一种方式振荡，而是让它同时做两种振荡——创造一种量子叠加，类似于埃尔文·薛定谔著名的思想实验中涉及猫的量子叠加。因此，这种类型的量子位被称为“猫量子位”。 Leghtas 表示，十多年来，物理学家一直认为猫量子位应该特别不可能出现所谓的位翻转错误，这相当于传统计算机中的数字 0 自发地变成 1，反之亦然。但证明实验室中的猫量子位对位翻转具有如此大的抵抗力并不容易。他说，多年来，他和他的同事每隔几毫秒就会检测到他们的猫量子位中的位翻转错误。然而，最近他们意识到，许多错误实际上是由他们测量猫量子位状态的方式引起的。重新设计该流程使他们实现了重大技术飞跃：他们的猫量子位现在可以在不发生位翻转的情况下运行 10 秒，这比过去任何实验的时间长 10,000 倍。到目前为止，研究人员只构建了一个具有这种特性的猫量子位，但构建更多的猫量子位可能是迈向可靠有用的量子计算机的一步。这是因为用猫量子位构建的计算机可以将更多的量子位用于计算，而不是只保留一些用于计算并使用其他量子位来纠正计算量子位中的位翻转错误。 Leghtas 表示，与其他涉及超导电路的量子位设计相比，使用这些猫量子位可以将纠错所需的量子位数量减少约 10 倍。克里斯蒂安·安徒生荷兰代尔夫特理工大学的一位教授表示，虽然位翻转之间的 10 秒对于量子位来说是很长的时间，但这并不是唯一重要的量子位属性。在使猫量子位对位翻转错误更具弹性和使其无意中更容易出现其他类型的错误之间存在权衡。他说，未来的研究必须找到最实用的方法来解决这个问题。 “这真的很酷，这是一个很好的进步，但也存在很多挑战，”安德森说。主题：量子计算/ 量子物理学 1715059629 #薛定谔的猫如何让量子计算机更好地工作 2024-05-06 16:00:36

用于自动组装微型设备的量子力

可以使用神秘的量子力操纵三角形金片乔治佐格拉夫利用隐藏在看似空旷的空间中的奇怪量子效应建造了用于控制光的微型黄金装置。 1948 年，物理学家亨德里克·卡西米尔 (Hendrik Casimir) 提出理论，当某些物体在太空中彼此靠近时，它们会受到非常弱的吸引力，因为它们之间的间隙中存在难以察觉的量子场闪烁。此后，研究人员在实验室中证实了这种卡西米尔效应。贝图尔·库楚科兹瑞典查尔姆斯理工大学的教授和她的同事现在找到了一种让它发挥作用的方法。他们想用两块相互平行的金片建造一个光捕获腔，光线会在两块金片之间来回反射，无法逃逸。首先，他们通过将尺寸在 4 到 10 微米之间的三角形金片压印到一小块玻璃上来创建空腔的下端。空腔的上端还包含三角形金片，但研究人员没有用某种工具将其固定到位，而是将玻璃安装的金片浸入含有额外三角形金片的盐水中，然后让产生的力自然而然地去做这份工作。这些力之一是由与溶解的盐相关的电荷引起的静电力。另一个是卡西米尔效应。库楚科兹说，她在显微镜下观察了该实验的多次运行，并且总能看到卡西米尔效应的作用。它使其中一片自由漂浮的金片向压印在玻璃上的金片移动，然后使其在压印的金片上方旋转，直到两片金片的三角形足迹相匹配。这样就完成了空腔的组装，然后可以捕获光线。 Küçüköz 说，研究人员对空腔形成过程有很多控制。例如，通过使用不同浓度的盐，他们可以调整静电力的强度，以创建尺寸略有不同的空腔，薄片之间的距离在 100 到 200 纳米之间，然后每个薄片都可以捕获不同颜色的光。劳尔·埃斯基维尔-西文特墨西哥国立自治大学的教授表示，自组装的想法并不新鲜，他将自组装比喻为将乐高积木扔进锅里，无需手动将任何部件压在一起就可以形成一个结构。但他表示，该团队的实验比之前利用卡西米尔效应实现类似目的的实验更加详细和可控。然而，埃斯基韦尔-西文特说，卡西米尔效应可能非常微妙，以至于可能还有其他未被发现的效应在起作用。展望未来，Küçüköz 和她的同事希望利用他们的空腔作为更复杂的光实验的一部分，其中包括一些涉及将物体放置在两片金片之间的空腔内的实验。主题：

有史以来最精确的时钟可以运行 400 亿年而没有误差

极其精确的光学时钟 NIST/R。雅各布森世界上最精确的时钟每 400 亿年误差不到 1 秒，大约是当前宇宙年龄的三倍。虽然我们并不直接需要如此极端的计时，但时钟可以帮助物理多个领域的研究，包括探测暗物质。时钟的核心由亚历山大·艾普利科罗拉多大学博尔德分校和他的同事们正在研究…… 2024-03-27 12:00:36 1711545703

量子存储设备可以阻止不可破解的网络发生故障

RAM 的量子版本可能会改善长距离量子网络德米特里·雷宾/Shutterstock 量子版本的随机存取存储器可以读取和写入信息 1000 次，最终可能成为长距离量子网络的关键组件。在传统计算机中，随机存取存储器（RAM）对于短期信息存储至关重要。随机存取量子存储器（RAQM）是类似的，人们期望它对于计算机的平稳运行至关重要。不可破解的量子互联网连接城市。这是因为量子信息在传播过程中很容易退化——在……处添加 RAQM 1710073799 #量子存储设备可以阻止不可破解的网络发生故障 2024-03-08 18:00:19