北京時間12月30日消息（余予）上個月，Physics World報道了一項將“2025 年定為聯(lián)合國官方國際量子科學(xué)與技術(shù)年”的活動；兩周前，Physics World公布了2021年度十大物理學(xué)突破；本周，Physics World公布了2021年度量子科技十大進展。以上都要歸功于世界各地的研究人員。

以下為2021年度量子科技十大進展：

量子安全視頻會議

在2021年的愚人節(jié)，Physics World發(fā)表了一篇關(guān)于在量子計算機上運行的視頻會議的虛構(gòu)故事。幾個月后，英國和德國的研究人員使用量子糾纏技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)中的多個用戶之間安全地分發(fā)密鑰，這一成就可能為量子安全視頻會議奠定基礎(chǔ)。在為期177小時的實驗中，赫瑞瓦特大學(xué)和杜塞爾多夫海因里希·海涅大學(xué)的物理學(xué)家生成了一個包含超過一百萬位的安全密鑰，并使用它在網(wǎng)絡(luò)中的四個用戶之間安全地共享圖像。

將化學(xué)用于量子測試

盡管量子計算吸收了大部分商業(yè)關(guān)注（以及大部分風(fēng)險投資資金），但在量子學(xué)界有一個廣泛的共識，量子模擬——即使用簡單的量子系統(tǒng)來探測化學(xué)、凝聚態(tài)物質(zhì)物理學(xué)和材料科學(xué)中的復(fù)雜現(xiàn)象，從而為純研究提供最大的近期優(yōu)勢。

Kang-Kuen Ni的成果展示了這一優(yōu)勢。今年 5 月，美國哈佛大學(xué)的 Ni和同事報告稱，他們已經(jīng)將鉀和銣的分子冷卻到絕對零以上的幾分之一度，從而將分子之間可能發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)數(shù)量從幾乎無限多減少到只有57 次。 在一系列實驗中，他們跟蹤了57 次中的每一種反應(yīng)，以得出結(jié)論并測量其概率。其中，50 個概率與理論預(yù)測相符，但其他 7個不相符——這一結(jié)果預(yù)示著量子化學(xué)的新可能性。

使用量子糾纏揭示生物結(jié)構(gòu)

受激拉曼散射 (SRS) 被廣泛應(yīng)用于分子尺度上的生物組織成像。

今年6月，澳大利亞和德國的研究人員對SRS進行了量子升級，通過用所謂“壓縮幅度”量子態(tài)中的糾纏光子替換普通光子，顯著降低了成像系統(tǒng)中的噪聲。這一新方法使Warwick Bowen 及其同事能夠觀察到原本無法解析的生物結(jié)構(gòu)。

除此之外，研究人員還檢測到分子樣本比以前可能的濃度低14%，而無需提高成像激光的光功率，這可能會損壞脆弱的生物結(jié)構(gòu)。

Warwick Bowen和他的同事

昆士蘭大學(xué)的研究人員（從左到右）：Waleed Muhammad、Caxtere Casacio、Warwick Bowen 和 Lars Madsen，展示其新量子顯微鏡。（提供：昆士蘭大學(xué)）

量子優(yōu)勢更加顯現(xiàn)

由中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉、陸朝陽等組成的研究團隊與中科院上海微系統(tǒng)所、國家并行計算機工程技術(shù)研究中心合作，構(gòu)建了76個光子的量子計算原型機“九章”，實現(xiàn)了具有實用前景的“高斯玻色取樣”任務(wù)的快速求解，其速度比目前最快的超級計算機快1014倍；

今年10 月，該團隊又將性能提高了 1010 倍，新的結(jié)果表明，改進后的電路執(zhí)行同樣的采樣任務(wù)的速度經(jīng)典機器快1024 倍；

同月，由潘建偉的第二個團隊在超導(dǎo)量子計算計算機上展示了“量子計算優(yōu)越性”， 構(gòu)建了66比特可編程超導(dǎo)量子計算原型機“祖沖之二號”，實現(xiàn)了對“量子隨機線路取樣”任務(wù)的快速求解，比目前最快的超級計算機快數(shù)萬倍。

我們期待看到中國科大研究團隊等在2022 年將跨越哪些里程碑。

兩次制造時間晶體

時間晶體研究的突破就像一輛公共汽車：你等了很久，才等到一輛，但一次卻只有兩輛。

11 月初，一組來自 QuTech、加州大學(xué)伯克利分校和 Element Six 的物理學(xué)家表明，金剛石中的核自旋可以構(gòu)成一種特殊版本的時間晶體——也就是說，一個在時間上呈現(xiàn)周期性的系統(tǒng)，就像晶體材料一樣在空間中是周期性的。

幾周后，一個由谷歌和斯坦福大學(xué)研究人員領(lǐng)導(dǎo)的獨立小組發(fā)表了他們自己在時間晶體方面的成果，，證明這些奇異的量子物體構(gòu)成了物質(zhì)的非平衡相。有趣的是，后一組使用谷歌的 Sycamore 量子處理器對其時間晶體候選者進行測試，嚴格檢查它是否滿足所有要求——這是早期量子設(shè)備作為研究凝聚態(tài)系統(tǒng)的試驗臺的一個很好的例子。

時間晶體渲染圖。（提供：Matteo Ippoliti）

其他進展

除上述外還有其他五大進展：

·量子熱力學(xué)限制了納米級機械鐘的精度；

·復(fù)雜的量子運算遵守每秒 17 毫米的速度限制；

·一個僅有六個原子的集合可以表現(xiàn)出集體行為；

·量子特性可以與它們的母體分離，并徘徊在物體本身從未走過的區(qū)域；

·最后，美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室的研究人員表明，如果你把信息扔進黑洞，即使是量子計算機也無法將它重新組合。

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