Physics World：2021年量子科技亮点

北京时间12月30日消息（余予）上个月，Physics World报道了一项将“2025 年定为联合国官方国际量子科学与技术年”的活动；两周前，Physics World公布了2021年度十大物理学突破；本周，Physics World公布了2021年度量子科技十大进展。以上都要归功于世界各地的研究人员。

以下为2021年度量子科技十大进展：

量子安全视频会议

在2021年的愚人节，Physics World发表了一篇关于在量子计算机上运行的视频会议的虚构故事。几个月后，英国和德国的研究人员使用量子纠缠技术在网络中的多个用户之间安全地分发密钥，这一成就可能为量子安全视频会议奠定基础。在为期177小时的实验中，赫瑞瓦特大学和杜塞尔多夫海因里希·海涅大学的物理学家生成了一个包含超过一百万位的安全密钥，并使用它在网络中的四个用户之间安全地共享图像。

将化学用于量子测试

尽管量子计算吸收了大部分商业关注（以及大部分风险投资资金），但在量子学界有一个广泛的共识，量子模拟——即使用简单的量子系统来探测化学、凝聚态物质物理学和材料科学中的复杂现象，从而为纯研究提供最大的近期优势。

Kang-Kuen Ni的成果展示了这一优势。今年 5 月，美国哈佛大学的 Ni和同事报告称，他们已经将钾和铷的分子冷却到绝对零以上的几分之一度，从而将分子之间可能发生的化学反应数量从几乎无限多减少到只有57 次。 在一系列实验中，他们跟踪了57 次中的每一种反应，以得出结论并测量其概率。其中，50 个概率与理论预测相符，但其他 7个不相符——这一结果预示着量子化学的新可能性。

使用量子纠缠揭示生物结构

受激拉曼散射 (SRS) 被广泛应用于分子尺度上的生物组织成像。

今年6月，澳大利亚和德国的研究人员对SRS进行了量子升级，通过用所谓“压缩幅度”量子态中的纠缠光子替换普通光子，显著降低了成像系统中的噪声。这一新方法使Warwick Bowen 及其同事能够观察到原本无法解析的生物结构。

除此之外，研究人员还检测到分子样本比以前可能的浓度低14%，而无需提高成像激光的光功率，这可能会损坏脆弱的生物结构。

Warwick Bowen和他的同事

昆士兰大学的研究人员（从左到右）：Waleed Muhammad、Caxtere Casacio、Warwick Bowen 和 Lars Madsen，展示其新量子显微镜。（提供：昆士兰大学）

量子优势更加显现

由中国科学技术大学潘建伟、陆朝阳等组成的研究团队与中科院上海微系统所、国家并行计算机工程技术研究中心合作，构建了76个光子的量子计算原型机“九章”，实现了具有实用前景的“高斯玻色取样”任务的快速求解，其速度比目前最快的超级计算机快1014倍；

今年10 月，该团队又将性能提高了 1010 倍，新的结果表明，改进后的电路执行同样的采样任务的速度经典机器快1024 倍；

同月，由潘建伟的第二个团队在超导量子计算计算机上展示了“量子计算优越性”， 构建了66比特可编程超导量子计算原型机“祖冲之二号”，实现了对“量子随机线路取样”任务的快速求解，比目前最快的超级计算机快数万倍。

我们期待看到中国科大研究团队等在2022 年将跨越哪些里程碑。

两次制造时间晶体

时间晶体研究的突破就像一辆公共汽车：你等了很久，才等到一辆，但一次却只有两辆。

11 月初，一组来自 QuTech、加州大学伯克利分校和 Element Six 的物理学家表明，金刚石中的核自旋可以构成一种特殊版本的时间晶体——也就是说，一个在时间上呈现周期性的系统，就像晶体材料一样在空间中是周期性的。

几周后，一个由谷歌和斯坦福大学研究人员领导的独立小组发表了他们自己在时间晶体方面的成果，，证明这些奇异的量子物体构成了物质的非平衡相。有趣的是，后一组使用谷歌的 Sycamore 量子处理器对其时间晶体候选者进行测试，严格检查它是否满足所有要求——这是早期量子设备作为研究凝聚态系统的试验台的一个很好的例子。

时间晶体渲染图。（提供：Matteo Ippoliti）

其他进展

除上述外还有其他五大进展：

·量子热力学限制了纳米级机械钟的精度；

·复杂的量子运算遵守每秒 17 毫米的速度限制；

·一个仅有六个原子的集合可以表现出集体行为；

·量子特性可以与它们的母体分离，并徘徊在物体本身从未走过的区域；

·最后，美国洛斯阿拉莫斯国家实验室的研究人员表明，如果你把信息扔进黑洞，即使是量子计算机也无法将它重新组合。

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