疯魔了！量子技术今日狂发5篇Nature

2020-12-17

谈到当前最前沿的研究领域，量子技术可谓当仁不让！今日，Nature杂志连续报道了5篇量子技术相关的研究论文，现整理如下，供大家学习交流：

1. Nature：实验证实原子纠缠态有效提高光学原子钟精度

光学原子钟的原理是基于对两个原子能级之间能量差的精确检测，该能量差是根据在给定时间间隔中累积的量子相来衡量的。问题在于，光学时钟的稳定性受到两个方面的限制：1）局域振荡器激光对原子系统的噪音干扰；2）与离散测量相关的量子噪声引起的标准量子极限。理论研究表明，在光学时钟转换上产生纠缠有望消除噪音干扰，但是并未经过实验验证。

有鉴于此，麻省理工学院Vladan Vuletić等人从实验的角度证实，基于多原子纠缠态的光学原子钟，可以有效减少噪音，使计时精度和准确度得到进一步提高。

研究人员使用由数百个镱-171原子组成的集合体，在SQL上获得了4.4 （+0.6，-0.4）分贝的计量增益，相当于将平均时间减少了2.8±0.3倍。

这项研究还受到一些其他噪音的干扰，对于基本物理定律、大地测量学和重力波检测的精确测试都提供了新的思路。

参考文献：

Edwin Pedrozo-Peñafiel et al. Entanglement on an optical atomic-clock transition. Nature 2020, 588, 414-418.

https://www.nature.com/articles/s41586-020-3006-1

2. Nature：实验证实原子纠缠态有效提高光学原子钟精度

为了进一提高光学原子钟的精度，Nature杂志今日背靠背发表2篇论文。除了上一篇论文之外，Adam M. Kaufman等人也同时独立报道了一种新策略，

量子计量和仿真的关键要求是，需要控制和保持有效的量子两级系统或量子位的大型集成中的相干性。 实现这些特征的一种方法是使用中性原子，因为它们本质上是相同的，并且在其基态中具有弱和短距离的相互作用。

然而，同时实现这些特性仍然是凝聚态物理领域的关键挑战。

有鉴于此，Adam M. Kaufman等人利用光学镊子俘获碱土金属原子Sr-88技术，引入一种混合方法来定制阵列光势，可以快速加载原子，并实现高保真状态和定点分辨读数，以实现更性能光学钟工作。

基于这种方法，研究人员在大约150个原子的集合体中实现了超过40秒的陷波和光学时钟激发态寿命。这导致在光学钟跃迁上产生半分钟的原子相干，对应的质量因数远远超过10¹⁶。这些相干时间和原子数将量子噪声的影响降低到与当前最顶级的光学原子体系相当的水平。

这项研究为光学原子钟的高性能工作提供了新的策略，为科学家在可调控的原子阵列中实现长寿命纠缠光学时钟铺平了道路。

参考文献：

Aaron W. Young et al. Half-minute-scale atomic coherence and high relative stability in a tweezer clock. Nature 2020, 588, 408–413.

https://www.nature.com/articles/s41586-020-3009-y

3. Nature：调控量子异常霍尔绝缘体的Chern数

量子异常霍尔状态是一种二维拓扑绝缘状态。零磁场下，其霍尔电阻被量化，纵向电阻消失。 量子异常霍尔效应已在磁性拓扑绝缘体和魔角扭曲双层石墨烯中实现。但是，到目前为止，仅在C = 1时才实现了零磁场下的QAH效应。

有鉴于此，宾夕法尼亚州立大学Cui-Zu Chang和Chao-Xing Liu等人基于磁性和无掺杂拓扑绝缘体交替组成的多层结构，实现了量子异常霍尔绝缘体的Chern数高度可调，高达C = 5。

通过分子束外延技术，研究人员成功构建了磁性和无掺杂拓扑绝缘体交替组成的多层结构。这些QAH绝缘体的Chern数由多层结构中未掺杂的拓扑绝缘子层数决定。研究表明，通过改变磁性拓扑绝缘体层中的磁性掺杂浓度，或内部磁性拓扑绝缘体层的厚度，可以有效调节给定多层结构的Chern数。为了解释这种现象，研究人员建立了一个理论模型，并建立了具有可调控的高Chern数的QAH绝缘子的相图。

总之，这项研究为量子异常霍尔绝缘体的研究提供了新的借鉴，有力推动了其在节能电子器件、多通道量子计算和更高容量的手性电路等领域的发展。

参考文献：

Yi-Fan Zhao et al. Tuning the Chern number in quantum anomalous Hall insulators. Nature 2020, 588, 419-423.

https://www.nature.com/articles/s41586-020-3020-3

4. Nature：基于超冷原子的可调谐海森堡模型中的自旋输运

在基础物理研究领域，建立自旋相互作用的简单模型意义重大，不仅可以发现磁性材料的许多新奇特性，还可以拓展到其他体系，譬如晶格中的玻色子和费米子、规范场理论、高温超导、量子自旋，以及具有异质粒子的系统。

通过超冷原子建立一个多功能的平台，来研究和比较这些模型，是该领域的长期目标。然而，目前为止，科学家只能在具有各向同性自旋-自旋相互作用的系统中研究自旋输运。

有鉴于此，MIT的Paul Niklas Jepsen等人报道了一种基于超冷原子的可调谐海森堡模型，可用于描述晶格上的各向异性最近邻自旋-自旋耦合（称为XXZ模型）。

基于该模型，作者研究了自旋印迹螺旋结构在量子猝灭后远未达到平衡状态时的自旋输运。在三个可能方向中，当自旋仅沿其中两个方向耦合时（XX模型），作者发现自旋动力学的弹道行为；而对于各向同性自旋相互作用（XXX模型），作者发现了扩散行为。

研究表明，对于正各向异性，动力学范围从反超扩散到亚扩散；而对于负各向异性，作者观察到了从弹道到扩散运输的时域交叉。

这项研究发现了与线性响应机制相反的现象，为理解远离平衡的量子多体动力学提供了新的见解。

参考文献：

Paul Niklas Jepsen et al. Spin transport in a tunable Heisenberg model realized with ultracold atoms. Nature 2020, 588, 403-407.

https://www.nature.com/articles/s41586-020-3033-y

5. Nature：在范德华异质结中发现拓扑超导

在单一材料中，拓扑绝缘体，超导体和量子自旋液体之类的奇异状态往往很难同时存在。拓扑超导是否是拓扑量子计算的关键成分，是否存在于任何天然存在的材料中，都尚未可知。因此，在异质结构中构建不同的材料组合，可以在不同材料的相互作用中产生奇异状态之间多种奇异状态。

有鉴于此，阿尔托大学Shawulienu Kezilebieke等人报道了一种基于二维铁磁体和超导体的范德华异质结构，并成功观测到二维拓扑超导性。

研究人员使用分子束外延技术，在二硒化铌超导体上生长具有铁磁性的三溴化铬二维岛状结构，然后，使用低温扫描隧道显微镜等表征揭示了一维马约拉纳边缘模式的特征。所制成的2D 范德华异质结具有高质量和可调谐的系统，可以轻松地集成到使用拓扑超导性的器件结构中。

这种异质结构可以通过各种外部刺激实现简单操作，从而为通过电、力，化学物质或光学手段等外部控制2D拓扑超导带来了更多可能。

参考文献：

Shawulienu Kezilebieke et al. Topological superconductivity in a van der Waals heterostructure. Nature 2020, 588, 424–428.

https://www.nature.com/articles/s41586-020-2989-y