Physics World公布2021年度量子科技十大进展

光子盒研究院出品

两周前，Physics World公布了2021年度十大物理学突破，其中，“宏观物体之间的量子纠缠”荣获年度突破奖。本周，Physics World公布了2021年度量子科技十大进展，中国量子优越性实验再次毫无争议入选。上周中国量子优越性实验也入选了美国物理学会(APS)公布的2021年度十大物理学进展。

Physics World 2021年度量子科技十大进展：

在2021年的愚人节，Physics World编造了一个在量子计算机上运行Zoom(视频会议软件)会议的故事。几个月后，英国和德国的研究人员利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——这可能为量子安全的视频会议铺平道路。在177小时的实验中，赫瑞-瓦特大学和杜塞尔多夫大学的物理学家生成了一个包含超过100万位的安全密钥，并使用它在网络中的4个用户之间安全地共享图像——一只《爱丽丝梦游仙境》中的柴郡猫。

论文：

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abe0395

尽管量子计算吸引了大部分商业关注(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，即量子模拟——使用简单的量子系统来探索化学、凝聚态物理和材料科学中的复杂现象——为纯理论研究提供了最大的近期优势。

Kang-Kuen Ni的成果让我们看到了这种优势是什么样子的。今年5月，Ni和他在美国哈佛大学的同事报告说，他们已经将钾和铷分子冷却到绝对零度以上的几分之一度，从而将分子之间可能发生的化学反应的数量从几乎无限多减少到仅仅57次。在一系列的实验中，他们跟踪了57种反应中的每一种，并测量了其概率。其中50个概率符合理论预测，其他7个不符合——这一结果预示着量子化学的新可能性。

论文：

https://www.nature.com/articles/s41586-021-03459-6

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，用所谓的“压缩振幅”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。这种新方法使Warwick Bowen及其同事能够观察到用其他方法无法解析的生物结构。研究人员还检测到分子样品的浓度比以前可能的浓度低14%，而不需要增加成像激光(这可能会破坏脆弱的生物结构)的光功率。

Warwick Bowen及其同事

论文：

https://www.nature.com/articles/s41586-021-03528-w

去年年底，由中国科学技术大学潘建伟和陆朝阳领导的研究团队展示了他们的光学电路可以执行一种名为“高斯玻色采样”(GBS)的量子操作，比经典超级计算机快10¹⁴倍。2021年10月，该团队又将性能提升了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比经典计算机快10²⁴倍。同月，由潘建伟领导的第二个团队在超导量子计算机上也展示了量子计算优越性，这种计算机使用66个超导transmon作为量子比特。我们期待着看到中国科大团队(及其竞争对手)在2022年将跨越更多里程碑。

光量子计算优越性：

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.127.180502

超导量子计算优越性：

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.127.180501

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2095927321006733

时间晶体研究的突破就像一辆公交车：你等一辆车等了很久，然后同时出现了两辆车。

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，钻石中的核自旋可以构成一个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，就像晶体材料在空间上具有周期性一样。

几周后，由谷歌和斯坦福大学的研究人员领导的另一个团队也发表了他们的时间晶体成果，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，后一个团队使用谷歌的Sycamore量子处理器对其时间晶体候选者进行测试，严格检查其是否满足所有要求——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。

时间晶体艺术图

QuTech：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.abk0603

谷歌：

https://www.nature.com/articles/s41586-021-04257-w

此外，Physics World还公布了其他五大进展，包括：量子热力学限制了纳米尺度机械钟的精度[1]；复杂的量子操作遵循每秒17毫米的速度限制[2]；一个只有6个原子的系综可以表现出集体行为[3]；量子特性可以与它们的母体分离，并漫游到物体本身从未走过的区域[4]；最后，美国洛斯阿拉莫斯国家实验室的研究人员已经表明，一旦一条信息被黑洞或其他类似性质的系统打乱，即使是量子计算机也无法将它重新组合起来[5]。

论文：

[1]https://journals.aps.org/prx/abstract/10.1103/PhysRevX.11.011046

[2]https://journals.aps.org/prx/abstract/10.1103/PhysRevX.11.011035

[3]https://www.nature.com/articles/s41586-020-2936-y

[4]https://www.nature.com/articles/s41467-021-24933-9

[5]https://iopscience.iop.org/article/10.1088/2058-7058/34/07/08

参考链接：

https://physicsworld.com/a/quantum-science-technology-highlights-of-2021/

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