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    Physics World:2021年量子科技十大進展

    北京時間12月30日消息(余予)上個月,Physics World報道了一項將“2025 年定為聯合國官方國際量子科學與技術年”的活動;兩周前,Physics World公布了2021年度十大物理學突破;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,Physics World發表了一篇關于在量子計算機上運行的視頻會議的虛構故事。幾個月后,英國和德國的研究人員使用量子糾纏技術在網絡中的多個用戶之間安全地分發密鑰,這一成就可能為量子安全視頻會議奠定基礎。在為期177小時的實驗中,赫瑞瓦特大學和杜塞爾多夫海因里?!ずD髮W的物理學家生成了一個包含超過一百萬位的安全密鑰,并使用它在網絡中的四個用戶之間安全地共享圖像。

    將化學用于量子測試

    盡管量子計算吸收了大部分商業關注(以及大部分風險投資資金),但在量子學界有一個廣泛的共識,量子模擬——即使用簡單的量子系統來探測化學、凝聚態物質物理學和材料科學中的復雜現象,從而為純研究提供最大的近期優勢。

    Kang-Kuen Ni的成果展示了這一優勢。今年 5 月,美國哈佛大學的 Ni和同事報告稱,他們已經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生的化學反應數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,以得出結論并測量其概率。其中,50 個概率與理論預測相符,但其他 7個不相符——這一結果預示著量子化學的新可能性。

    使用量子糾纏揭示生物結構

    受激拉曼散射 (SRS) 被廣泛應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”量子態中的糾纏光子替換普通光子,顯著降低了成像系統中的噪聲。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構。

    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構。

    Warwick Bowen和他的同事

    昆士蘭大學的研究人員(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)

    量子優勢更加顯現

    由中國科學技術大學潘建偉、陸朝陽等組成的研究團隊與中科院上海微系統所、國家并行計算機工程技術研究中心合作,構建了76個光子的量子計算原型機“九章”,實現了具有實用前景的“高斯玻色取樣”任務的快速求解,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,新的結果表明,改進后的電路執行同樣的采樣任務的速度經典機器快1024 倍;

    同月,由潘建偉的第二個團隊在超導量子計算計算機上展示了“量子計算優越性”, 構建了66比特可編程超導量子計算原型機“祖沖之二號”,實現了對“量子隨機線路取樣”任務的快速求解,比目前最快的超級計算機快數萬倍。

    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、加州大學伯克利分校和 Element Six 的物理學家表明,金剛石中的核自旋可以構成一種特殊版本的時間晶體——也就是說,一個在時間上呈現周期性的系統,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研究人員領導的獨立小組發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成了物質的非平衡相。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——這是早期量子設備作為研究凝聚態系統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:

    ·量子熱力學限制了納米級機械鐘的精度;

    ·復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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