室温下的奇迹：揭秘首个拓扑量子模拟器
- 2024年05月27日 14:29:33来源：化工仪器网点击：4965
【化工仪器网 项目成果】拓扑量子模拟器是基于特殊的拓扑量子态原理，利用量子叠加将信息编码于整体状态中。这增加了信息存储和处理的安全性和效率，因为这种状态对局部扰动有很强的抵抗力。
拓扑量子模拟器在量子药物设计、材料科学模拟和优化问题求解等领域具有巨大潜力，能显著提升计算效率和解决能力。它通过模拟分子间互动快速识别潜在药物分子，预测新材料属性，并优化物流与金融网络问题。
近日，美国伦斯勒理工学院研究人员制造出首个在室温下运行的强光物质相互作用拓扑量子模拟器，其宽度与人类发丝相当。这一装置将帮助物理学家研究物质和光的基本性质，支持从医学到制造业等诸多领域高效激光器的开发。相关论文发表在5月24日的《自然·纳米技术》杂志上。
这种装置由一种称为光子拓扑绝缘体的特殊材料制成。光子拓扑绝缘体可引导光子到达材料内部专门设计的界面，同时还可以防止这些光子通过材料本身散射。由于这种特性，拓扑绝缘体可使许多光子像一个光子一样连贯行动。这些装置还可用作拓扑“量子模拟器”，让研究人员在这些微型实验室中研究量子现象。
研究人员表示，他们制造的光子拓扑绝缘体具有独特性，可在室温下工作，这是一个重大进步。此前的研究只能使用大型昂贵的装置，而且是在真空中对物质进行超冷却。新型装置不仅为更多科学家提供了在实验室进行基础物理研究的便利，而且为开发低能耗激光器带来了更广阔的前景。这是因为，新装置的室温工作能量阈值仅为传统低温装置的七分之一。
开发新装置的技术与半导体行业制造微芯片的技术相同，需要将不同材料层逐个原子、逐个分子地叠在一起，创建具有特定属性的理想结构。
为了制造这种新装置，研究人员培育了超薄卤化物钙钛矿板材，并在其顶部蚀刻了一种带有图案的聚合物。他们将这些晶体板和聚合物夹在各种氧化物材料薄片之间，最终形成一个约2微米厚、100微米见方的物体(人类头发的平均宽度约为100微米)。激光照射到设备时，界面上出现发光的三角形图案。该图案由设备设计决定，是激光拓扑特性的结果。
室温拓扑量子模拟器成功地保持了量子态的相干性和稳定性，为量子计算机实用化提供了新的可能。研究人员表示，能够在室温下研究量子现象令人兴奋，这意味着材料工程将帮助人们解答一些科学上的重大问题。
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