周报丨多领域实现突破！亚马逊提出低能耗的容错量子门；NASA演示空间原子干涉测量

光子盒研究院出品

本周头条

亚马逊研究人员提出了具有低能耗的容错量子门

亚马逊科学家Christopher Chamberland和Kyungjoo Noh最近在《自然》杂志上发表了一篇论文，描述了一种新的低能耗的容错量子门，称为T门。

对于许多量子计算体系结构，大部分能耗来自逻辑T门的纠错。因此，如何降低系统能耗是该领域一个重要的突出问题。

研究人员证明，他们的方案在量子比特数和所需操作数方面，将实现T门的能耗降低了至少一个数量级。此外，他们的方案遵循了最具潜力的量子计算体系结构的许多硬件约束。

尽管大规模和完全容错的量子计算机在当前无法实现，但各种量子计算体系结构正朝着容错量子纠错方案的方向迈进。通过减少使用非常高保真编码Clifford门操作的需要，允许使用低保真度的物理级操作（同时遵循硬件限制），这种自下而上的magic-state-preparation方案使得非Clifford门的容错在不久的将来更容易实现。

详情：

https://www.amazon.science/blog/fault-tolerant-quantum-circuits-with-much-lower-overhead

量子技术在国际空间站上的跨越

美国国家航空航天局(NASA)冷原子实验室(Cold Atom Lab)最近的升级，使得国际空间站(ISS)上的原子干涉测量成为可能，这为科学家实现用来探索宇宙的新一代精密量子传感器奠定了基础。

这些星载量子传感器的应用包括广义相对论的测试、暗能量和引力波的搜索、航天器导航和阻力参考，以及重力科学，包括行星大地测量，即对行星形状、方向和重力场的研究。

实现空间原子干涉测量一直是NASA和基础物理界长期追求的目标。国际空间站上原子干涉测量研究的首席研究员Jason Williams博士说:“对于基于天体的原子干涉仪，超低温气体和无限自由落体时间的实验室环境，有望为惯性力和旋转测量开辟一种新的精度体系，这可能彻底改变当代重力科学和航天器的导航能力。”

空间物质波干涉测量法的演示预示着，在未来，天基量子传感器将成为宇宙科学探索中广泛使用的工具。新技术的应用包括广义相对论的测试、暗能量和引力波的搜索、航天器导航以及在月球和其他行星体上探测地下矿物。

该研究是在加利福尼亚理工学院的喷气推进实验室（JPL）进行的。

详情：

https://science.nasa.gov/technology/technology-highlights/quantum-technologies-take-flight

丹麦研究人员宣布在技术上实现“量子优势”

丹麦的研究人员宣布他们在技术上达到了实现“量子优势”的条件。这项研究是在哥本哈根大学的尼尔斯·玻尔研究所与波鸿大学的合作下进行的，并发表在Science Advances上。该研究已经开发出一种纳米芯片（厚度不到人类头发的十分之一），若加以合适的投资，最终可用于构建未来的量子模拟器。这个芯片使他们能够产生足够的用量子信息加密的光子，从而扩展该技术。

具体来说，他们在“片上”平面纳米光子波导电路中利用量子点实现具有近似不可分辨的确定性单光子源。这个装置产生大于100个单光子的长串，光子之间的相互不可分辨性没有任何明显的下降。最终实现了每秒1.22亿光子的总产生率，相当于片上源效率为84%。这些单光子源的规格是以玻色取样为基准的，并发现能够扩展到量子优势的范围。

玻尔研究所混合量子网络中心（Hy-Q）主任Peter Lodahl教授说：“我们现在拥有的工具使构建超越传统计算机的量子模拟器成为可能。这是一项重大突破，是进入量子物理学世界未知领域的第一步。”

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https://mp.weixin.qq.com/s/DWwTqeCc3BDnv1EUuxwIrA

南方科大“量子信息科学”冬季学校正在报名中

冬季学校院士大讲堂：俞大鹏（中科院院士）

本次冬季学校授课老师名单：

尤力（清华大学）

段路明（清华大学）

马雄峰（清华大学）

刘雄军（北京大学）

袁骁（北京大学）

苑震生（中国科大）

曹圭鹏（港科大）

范桁（物理所）

孙晓明（计算所）

高克林（中科院精密测量院）

上课地址：国际量子研究院，深圳福田

报名截止日期：2020.12.31

联系人：

范靖云，深圳量子科学与工程研究院，[e-mail]

雷林林，深圳量子科学与工程研究院，[e-mail]

叶文倩, 深圳量子科学与工程研究院，[e-mail]

上课报名：

报名方式1：微信扫码报名

报名方式2：登录链接报名

https://www.wjx.cn/m/97108114.aspx

注：本次冬季学校免注册报名费。

详情：

https://mp.weixin.qq.com/s/akYn6HBo3WY1vYewIGQjyg

商业动态

阿里巴巴发布开源量子模拟器“太章2.0”

12月23日，阿里巴巴发布阿里云量子开发平台(Alibaba Cloud Quantum Development Platform，ACQDP)，开源自研量子计算模拟器“太章2.0”及一系列量子应用案例。这将有力地支持从业人员设计量子硬件，测试量子算法，并探索其在材料、分子发现，优化问题和机器学习等领域内的应用。

今年5月实验室用“太章2.0”模拟了2019年 “谷歌量子霸权”宣称用的量子电路，将其设计的经典计算耗时超一万年的任务，压缩至20天内完成，比其它最好的方案改进了四个数量级。业界人士估计，若通过硬件资源的进一步优化，特别是提升GPU使用效率，该算法有望将模拟时间压缩到2天以内。这一系列工作引起学术界对量子计算与经典计算边界的重新思考。

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https://mp.weixin.qq.com/s/H0e-b65BheW4NA1BvPrbtw

Atos将在爱尔兰高端计算中心（ICHEC）安装增强型量子学习机（QLM-E）

Atos去年6月发布了这款QLM-E量子模拟器，将在爱尔兰高端计算中心(ICHEC)安装该设备。

通过使用NVIDIA GPU代替通用微处理器，它的性能是以前QLM的12倍。该设备将与ICHEC的爱尔兰国家超级计算机“Kay”集成在一起，并配备各种量子软件编程工具。

Ato QLM-E还将被用于“量子计算的下一个应用（NEASQC）”项目中，即耗资10亿欧元的欧洲旗舰量子计划，爱尔兰是该计划的合作伙伴。除了提供机器本身之外，Atos还将提供培训，并在必要时对其进行增强。

详情：

https://atos.net/en/2020/press-release_2020_12_17/atos-delivers-its-first-gpu-accelerated-quantum-learning-machine-to-the-irish-centre-for-high-end-computing-ichec

ColdQuantum和ParityQC合作研究量子优势和优化问题

今年早些时候，ColdQuanta获得了国防部高级研究计划局（DARPA）的合同，开发一个基于冷原子Quantum Core技术的可扩展的量子计算硬件和软件平台，可以在现实世界问题上展示量子优势。

ParityQC通过其ParityQC体系结构（下一代量子计算机解决优化问题的蓝图）以及在该体系结构上运行量子算法的操作系统ParityOS，为该项目提供了重要的支持。

两家公司认为，与标准门模型方法相比，通过使用ParityQC架构，他们将能够以较少的门操作数量编译优化问题。这将使他们比预期要早得多地在实际的优化问题上展示量子优势。

详情：

https://coldquanta.com/news/coldquanta-and-parityqc-aim-at-quantum-advantage-with-optimization-problems/

以色列武器装备公司投资研究量子加速度计和陀螺仪

Rafael先进防御系统公司（Rafael Advanced Defense Systems）一直在投资量子技术，希望这项技术能改善战场上现有的传感器，并可以为不能使用GPS的环境带来解决方案。

Rafael公司是以色列新武器系统的研发部门，同时也是战利品防御系统（Trophy defense system）的幕后公司，该公司还拥有Litening targeting pod和Iron Dome防空技术。Rafael还推出了新的数字化战场概念，并利用光学技术更好地匹配场景和利用人工智能。

Rafael公司一位官员表示，“可以设计出性能极高的量子加速度计和陀螺仪，作为下一代惯性导航系统的基础。”

这些传感器可以利用原子的量子特性，以前所未有的精度测量加速度和角速率，进而实现“相对较长时间的航位推算导航，同时基本保持GPS/GNSS的精度”。

详情：

https://www.c4isrnet.com/industry/2020/12/08/rafael-hopes-quantum-technology-can-help-in-gps-denied-environments/

富士通和量子初创公司Quantum Mads合作

富士通（Fujitsu）和西班牙量子计算初创公司Quantum Mads达成了一项合作协议，为金融业、私人投资者和保险业开发量子解决方案。

他们将在富士通量子启发数字退火平台下工作，以解决优化问题、开发创新算法，这些算法将作为云服务提供给客户，并与日本跨国公司的专家社区合作。

富士通的数字退火机是世界上第一个量子启发技术，可以新的逻辑来解决复杂的业务问题，快速高效地找到解决方案。Quantum Mads致力于量子计算下的流程优化和金融软件的创建。

Quantum Mads有两种产品，两家公司都将在这两种产品上开发自己的业务线。第一种是Q-ALLOCATE，一种用于生成投资组合分配权重的混合量子经典算法。第二种是Q-CRYPTO，用于加密货币环境。

Q-ALLOCATE提供可靠的、风险调整后的回报。Qq-CRYPTO大大减少了获取加密货币所需的时间，无论是在资源还是交易地点方面。

详情：

https://thequantumdaily.com/2020/12/24/fujitsu-the-basque-start-up-quantum-mads-collaborate-to-develop-a-sophisticated-quantum-solution-for-the-financial-industry/

国家战略

美国海军科学家因改进量子传感器设计而获奖

Dan Parks博士因其对正则光学弱值放大器设备(COWVAD)的研究获得了2020年美国海军水面作战中心达尔格伦分部（NSWCDD）内部实验室独立研究(ILIR)卓越奖。他利用一种新装置改进量子传感器设计，预计将影响计量学、重力测量和上部结构设计。

详情：

https://www.navsea.navy.mil/Media/News/SavedNewsModule/Article/2439678/navy-scientist-retires-receives-award-for-quantum-physics-innovation-to-impact/

美国空军向15家小型企业授予3500万美元的量子研究资金

美国空军研究实验室信息管理局在在量子计时、量子传感、量子计算和量子通信领域，共向15家公司提供了23项第二阶段小型企业技术转让（STTR）奖励，金额共3500万美元。

详情：

https://quantumcomputingreport.com/u-s-air-force-awards-35-million-in-quantum-research-funding-to-15-small-businesses/

Qblox和Pasqal获得了欧盟的资助

Qblox获得了欧洲创新委员会480万欧元（约580万美元）的资金，Pasqal从欧盟委员会EIC加速器项目获得了700万欧元（约850万美元）。这些资金包括高达250万欧元的赠款，其余部分作为股权投资。

这两个组织是在4200多个申请者中选出的38家创业公司之一。Qblox开发了可大规模扩展的量子控制栈，而Pasqal则致力于开发基于中性原子技术的第一代100+量子比特处理器，以及包括特定应用程序库的完整软件堆栈。

详情：

https://pasqal.io/2020/12/24/europe-is-betting-on-quantum-computing-with-neutral-atoms/

蒙大拿州立大学获得600万美元的拨款，用于支持量子互联网的研究

蒙大拿州立大学从美国空军研究实验室获得了为期两年600万美元的资助，以支持量子互联网的研究。

该项目将包括在蒙大拿州立大学波兹曼分校安装一个实验网络，以测试现有的、专门的多芯光纤电缆是否也能传输量子信号，这些电缆最初是为高容量互联网通信设计的。

“全世界在这方面做出了巨大的努力，但没有多少实验室能做这种工作，”该项目成员、蒙大拿州立大学光谱实验室的副主任Krishna Rupavatharam，说，“虽然一些量子网络已经在运行，但这项技术还处于起步阶段，蒙大拿州立大学有得天独厚的条件进入一些他人未涉足的领域。”

自1999年以来，光谱实验室一直是高等物理和工程研究的中心，并且衍生出许多光学行业的初创公司。

详情：

https://www.sidneyherald.com/business/msu-researchers-receive-6-million-to-advance-quantum-internet/article_b46262be-4356-11eb-9cb9-7b17071cf04b.html

亚利桑那大学Zhang教授获NSF资助100万美元

亚利桑那大学Zhang Zheshen教授获得美国国家自然科学基金会（NSF）100万美元资助，用于制造车辆导航、空间导航和医疗保健的量子传感器系统原型。

Zhang Zheshen教授将创建一个通过量子纠缠连接的传感器网络原型，这将改善从车辆导航到通信和医学成像等基于传感器的系统。

由于传感系统无处不在，这项技术的应用非常广泛。例如，它可以为自动驾驶汽车创建一个基于内部的导航系统，从而消除被黑客攻击的风险。它还可以通过将光源缠绕在一起的方法实现原子力显微镜，从而实现更快、更精确的医学成像。

Zhang Zheshen

详情：

https://news.arizona.edu/story/two-uarizona-researchers-receive-1m-grants-advance-cyberinfrastructure-and-quantum-sensing

科技前沿

中国科大实现高效的高维量子隐形传态

郭光灿院士团队在高维量子通信研究中取得重要进展，该团队李传锋、柳必恒研究组利用六光子系统实验实现了高效的高维量子隐形传态。该成果2020年12月2日发表在国际知名期刊《物理评论快报》上。

为了实现高维量子隐形传态，研究组首先巧妙的提出了纠缠辅助的方式，利用log2d-1个辅助纠缠光子对就可以高效的实现d维的量子隐形传态，从而解决了资源消耗问题。然后实验上利用主动反馈技术实现路径间的相位锁定，干涉可见度在45小时内保持在0.98的水平，从而利用六光子系统实现了三维的量子隐形传态。研究组对三维量子隐形传态过程做了过程层析，保真度达到0.596，以7个标准差超过了经典极限值1/3，证实了三维量子隐形传态过程的量子特性。高效的高维量子隐形传态的实现为构建高效的高维量子网络打下坚实的基础。

纠缠辅助的高维量子隐形传态示意图

详情：

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.125.230501

华人科学家将光子源效率提高了100倍

斯蒂文斯理工学院的研究人员制造出一种基于芯片的光子源，其效率是以前的100倍，从而使大规模量子设备集成变得触手可及。Gallagher物理学副教授、量子科学与工程中心主任Yuping Huang说：“我们是第一个在实践中证明这一点的人。”

为了创造光子对，研究人员会将光捕获在精心雕刻的纳米级微腔中；当光在空腔内循环时，其光子共振并分裂成纠缠对。但这样的系统效率极低，需要一束包含数亿个光子的入射光，才能让单个纠缠的光子对勉强从另一端传出。

而现在，研究人员已开发出一种新的基于芯片的光子源，其效率是以前任何设备的100倍，可以从一束微瓦功率的激光束中每秒创建数千万个纠缠光子对。

Huang在22日的《物理评论快报》发表了他的相关研究成果，并称，“这对量子通信来说是一个巨大的里程碑。”

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https://mp.weixin.qq.com/s/XhYGVc-06Yb1lHXYML-kMg

昆士兰大学正在研发下一代量子传感器技术

澳大利亚昆士兰大学正在创造下一代传感器技术，该技术可以为自动驾驶车辆提供超精确的导航和通信。作为昆士兰大学耗资660万澳元（合460万美元）项目的一部分，研究团队正在开展一项创新量子传感器技术的项目。

量子传感涵盖运动（包括旋转、成像、加速度和重力）、电场和磁场领域。它的现实应用包括完全精确的水下导航，探测重力变化，揭示可能的火山运动、环境变化和地震。此外，在我们日常生活中，量子传感将实现安全导航，并增强医学成像。

昆士兰大学正与澳大利亚国防部队、美国国家航空航天局（NASA）和技术组织Orica公司和天空通信技术公司（Skyborne Technologies）在研发国防应用方面合作，并将挖掘自动驾驶汽车潜力。

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https://www.analyticsinsight.net/quantum-sensors-a-breakthrough-in-autonomous-vehicles/

查尔姆斯理工大学开发的微型量子计算机，解决了航空领域的实际物流问题

瑞典查尔姆斯理工大学的研究人员表明，他们可以用小型但功能良好的量子计算机解决一小部分真正的物流问题。

所有航空公司都面临航班安排问题。例如，将单个飞机分配到不同的航线代表了一个优化问题，随着航线和飞机数量的增加，这个问题的规模和复杂性会迅速增加。现在的一项重要任务是找到普通计算机无法解决，但较小型量子计算机可以解决的相关有用问题。

“我们希望确保我们正在开发的量子计算机能够在早期帮助解决相关问题。因此，我们与工业公司密切合作，”理论物理学家、查尔姆斯理工大学量子计算机项目的领导者之一Giulia Ferrini说。该项目始于2018年。

详情：

https://www.eurekalert.org/pub_releases/2020-12/cuot-tqc121620.php

-End-

1930年秋，第六届索尔维会议在布鲁塞尔召开。早有准备的爱因斯坦在会上向玻尔提出了他的著名的思想实验——“光子盒”，公众号名称正源于此。