室溫下的奇跡：揭秘首個拓撲量子模擬器
【化工儀器網 項目成果】拓撲量子模擬器是基于特殊的拓撲量子態原理，利用量子疊加將信息編碼于整體狀態中。這增加了信息存儲和處理的安全性和效率，因為這種狀態對局部擾動有很強的抵抗力。
拓撲量子模擬器在量子藥物設計、材料科學模擬和優化問題求解等領域具有巨大潛力，能顯著提升計算效率和解決能力。它通過模擬分子間互動快速識別潛在藥物分子，預測新材料屬性，并優化物流與金融網絡問題。
近日，美國倫斯勒理工學院研究人員制造出首個在室溫下運行的強光物質相互作用拓撲量子模擬器，其寬度與人類發絲相當。這一裝置將幫助物理學家研究物質和光的基本性質，支持從醫學到制造業等諸多領域高效激光器的開發。相關論文發表在5月24日的《自然·納米技術》雜志上。
這種裝置由一種稱為光子拓撲絕緣體的特殊材料制成。光子拓撲絕緣體可引導光子到達材料內部專門設計的界面，同時還可以防止這些光子通過材料本身散射。由于這種特性，拓撲絕緣體可使許多光子像一個光子一樣連貫行動。這些裝置還可用作拓撲“量子模擬器”，讓研究人員在這些微型實驗室中研究量子現象。
研究人員表示，他們制造的光子拓撲絕緣體具有獨特性，可在室溫下工作，這是一個重大進步。此前的研究只能使用大型昂貴的裝置，而且是在真空中對物質進行超冷卻。新型裝置不僅為更多科學家提供了在實驗室進行基礎物理研究的便利，而且為開發低能耗激光器帶來了更廣闊的前景。這是因為，新裝置的室溫工作能量閾值僅為傳統低溫裝置的七分之一。
開發新裝置的技術與半導體行業制造微芯片的技術相同，需要將不同材料層逐個原子、逐個分子地疊在一起，創建具有特定屬性的理想結構。
為了制造這種新裝置，研究人員培育了超薄鹵化物鈣鈦礦板材，并在其頂部蝕刻了一種帶有圖案的聚合物。他們將這些晶體板和聚合物夾在各種氧化物材料薄片之間，最終形成一個約2微米厚、100微米見方的物體(人類頭發的平均寬度約為100微米)。激光照射到設備時，界面上出現發光的三角形圖案。該圖案由設備設計決定，是激光拓撲特性的結果。
室溫拓撲量子模擬器成功地保持了量子態的相干性和穩定性，為量子計算機實用化提供了新的可能。研究人員表示，能夠在室溫下研究量子現象令人興奮，這意味著材料工程將幫助人們解答一些科學上的重大問題。
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