談到當前最前沿的研究領域，量子技術可謂當仁不讓！今日，Nature雜志連續報道了5篇量子技術相關的研究論文，現整理如下，供大家學習交流：
1. Nature：實驗證實原子糾纏態有效提高光學原子鐘精度
光學原子鐘的原理是基于對兩個原子能級之間能量差的精確檢測，該能量差是根據在給定時間間隔中累積的量子相來衡量的。問題在于，光學時鐘的穩定性受到兩個方面的限制：1）局域振蕩器激光對原子系統的噪音干擾；2）與離散測量相關的量子噪聲引起的標準量子極限。理論研究表明，在光學時鐘轉換上產生糾纏有望消除噪音干擾，但是并未經過實驗驗證。
有鑒于此，麻省理工學院Vladan Vuleti?等人從實驗的角度證實，基于多原子糾纏態的光學原子鐘，可以有效減少噪音，使計時精度和準確度得到進一步提高。
研究人員使用由數百個鐿-171原子組成的集合體，在SQL上獲得了4.4 （+0.6，-0.4）分貝的計量增益，相當于將平均時間減少了2.8±0.3倍。
這項研究還受到一些其他噪音的干擾，對于基本物理定律、大地測量學和重力波檢測的精確測試都提供了新的思路。
參考文獻：
Edwin Pedrozo-Pe?afiel 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：實驗證實原子糾纏態有效提高光學原子鐘精度
為了進一提高光學原子鐘的精度，Nature雜志今日背靠背發表2篇論文。除了上一篇論文之外，Adam M. Kaufman等人也同時獨立報道了一種新策略，
量子計量和仿真的關鍵要求是，需要控制和保持有效的量子兩級系統或量子位的大型集成中的相干性。 實現這些特征的一種方法是使用中性原子，因為它們本質上是相同的，并且在其基態中具有弱和短距離的相互作用。
然而，同時實現這些特性仍然是凝聚態物理領域的關鍵挑戰。
有鑒于此，Adam M. Kaufman等人利用光學鑷子俘獲堿土金屬原子Sr-88技術，引入一種混合方法來定制陣列光勢，可以快速加載原子，并實現高保真狀態和定點分辨讀數，以實現更性能光學鐘工作。
基于這種方法，研究人員在大約150個原子的集合體中實現了超過40秒的陷波和光學時鐘激發態壽命。這導致在光學鐘躍遷上產生半分鐘的原子相干，對應的質量因數遠遠超過1016。這些相干時間和原子數將量子噪聲的影響降低到與當前最頂級的光學原子體系相當的水平。
這項研究為光學原子鐘的高性能工作提供了新的策略，為科學家在可調控的原子陣列中實現長壽命糾纏光學時鐘鋪平了道路。
參考文獻：
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：調控量子異常霍爾絕緣體的Chern數
量子異常霍爾狀態是一種二維拓撲絕緣狀態。零磁場下，其霍爾電阻被量化，縱向電阻消失。 量子異常霍爾效應已在磁性拓撲絕緣體和魔角扭曲雙層石墨烯中實現。但是，到目前為止，僅在C = 1時才實現了零磁場下的QAH效應。
有鑒于此，賓夕法尼亞州立大學Cui-Zu Chang和Chao-Xing Liu等人基于磁性和無摻雜拓撲絕緣體交替組成的多層結構，實現了量子異常霍爾絕緣體的Chern數高度可調，高達C = 5。
通過分子束外延技術，研究人員成功構建了磁性和無摻雜拓撲絕緣體交替組成的多層結構。這些QAH絕緣體的Chern數由多層結構中未摻雜的拓撲絕緣子層數決定。研究表明，通過改變磁性拓撲絕緣體層中的磁性摻雜濃度，或內部磁性拓撲絕緣體層的厚度，可以有效調節給定多層結構的Chern數。為了解釋這種現象，研究人員建立了一個理論模型，并建立了具有可調控的高Chern數的QAH絕緣子的相圖。
總之，這項研究為量子異常霍爾絕緣體的研究提供了新的借鑒，有力推動了其在節能電子器件、多通道量子計算和更高容量的手性電路等領域的發展。
參考文獻：
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：基于超冷原子的可調諧海森堡模型中的自旋輸運
在基礎物理研究領域，建立自旋相互作用的簡單模型意義重大，不僅可以發現磁性材料的許多新奇特性，還可以拓展到其他體系，譬如晶格中的玻色子和費米子、規范場理論、高溫超導、量子自旋，以及具有異質粒子的系統。
通過超冷原子建立一個多功能的平臺，來研究和比較這些模型，是該領域的長期目標。然而，目前為止，科學家只能在具有各向同性自旋-自旋相互作用的系統中研究自旋輸運。
有鑒于此，MIT的Paul Niklas Jepsen等人報道了一種基于超冷原子的可調諧海森堡模型，可用于描述晶格上的各向異性最近鄰自旋-自旋耦合（稱為XXZ模型）。
基于該模型，作者研究了自旋印跡螺旋結構在量子猝滅后遠未達到平衡狀態時的自旋輸運。在三個可能方向中，當自旋僅沿其中兩個方向耦合時（XX模型），作者發現自旋動力學的彈道行為；而對于各向同性自旋相互作用（XXX模型），作者發現了擴散行為。
研究表明，對于正各向異性，動力學范圍從反超擴散到亞擴散；而對于負各向異性，作者觀察到了從彈道到擴散運輸的時域交叉。
這項研究發現了與線性響應機制相反的現象，為理解遠離平衡的量子多體動力學提供了新的見解。
參考文獻：
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：在范德華異質結中發現拓撲超導
在單一材料中，拓撲絕緣體，超導體和量子自旋液體之類的奇異狀態往往很難同時存在。拓撲超導是否是拓撲量子計算的關鍵成分，是否存在于任何天然存在的材料中，都尚未可知。因此，在異質結構中構建不同的材料組合，可以在不同材料的相互作用中產生奇異狀態之間多種奇異狀態。
有鑒于此，阿爾托大學Shawulienu Kezilebieke等人報道了一種基于二維鐵磁體和超導體的范德華異質結構，并成功觀測到二維拓撲超導性。
研究人員使用分子束外延技術，在二硒化鈮超導體上生長具有鐵磁性的三溴化鉻二維島狀結構，然后，使用低溫掃描隧道顯微鏡等表征揭示了一維馬約拉納邊緣模式的特征。所制成的2D 范德華異質結具有高質量和可調諧的系統，可以輕松地集成到使用拓撲超導性的器件結構中。
這種異質結構可以通過各種外部刺激實現簡單操作，從而為通過電、力，化學物質或光學手段等外部控制2D拓撲超導帶來了更多可能。
參考文獻：
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
