光子盒年度系列丨2021全球量子领域年度人物

光子盒研究院出品

2021年，量子领域实现了许多重大突破：量子计算优越性继续凸显、经典算法模拟量子电路取得前所未有的突破、首次利用量子计算机制造时间晶体、基于门的量子计算机的量子比特数量首次突破100、实现4600公里天地一体化量子保密通信网络、实现首个基于纠缠的多节点量子网络等等。任何技术的进步，背后都离不开科研人员的默默付出。

今年，光子盒继续着眼于全球，遴选出量子领域十大人物。但与去年有所不同，今年入选的年度人物主要来自学术领域。具体排名不分先后，仅按照姓氏首字母进行排序。

Andrew Dzurak

新南威尔士大学教授

上榜理由：提出控制数百万个量子比特的方法√

在过去的十年中，澳大利亚新南威尔士大学(UNSW)科学教授Andrew Dzurak团队展示了使用与制造传统计算机芯片相同的硅制造技术完成的第一个也是最准确的量子逻辑门。

2021年8月，Andrew Dzurak团队的研究宣布消除了量子计算机成为现实的一个主要障碍：发现了一种新技术，将能够控制数百万个自旋量子比特——硅量子处理器中的基本信息单元。

研究小组没有在同样需要包含数百万个量子比特的缩略图大小的硅芯片上安装数千条控制线，而是研究了从芯片上方产生磁场的可行性，这个磁场可以同时操纵所有的量子比特。

接下来，该团队计划使用这项新技术来简化近期硅量子处理器的设计。

“移除芯片上的控制线，可以为更多的量子比特和构建量子处理器所需的所有其他电子设备腾出空间。这使得下一步生产具有数十个量子比特的设备的任务变得更加简单，”Dzurak教授表示。

Ronald Hanson

 荷兰代尔夫特理工大学物理系教授

上榜理由：实现世界首个基于纠缠的多节点量子网络√

2021年12月，2022年度Physica奖授予了代尔夫特理工大学量子计算和量子互联网杰出教授、QuTech团队负责人Ronald Hanson，以表彰他在量子控制和量子纠缠领域杰出的科学贡献：2015年，他的团队成功地在超过一公里的距离上纠缠了两个电子；2018年，他的团队能够以比丢失更快的速度产生量子纠缠。

2021年4月，荷兰代尔夫特理工大学Ronald Hanson团队报告了第一个多节点量子网络的实现。量子网络由三个量子节点组成，中间节点(Bob)与两个外部节点(Alice和Charlie)都有物理连接，每个节点相互建立纠缠连接。Bob配备了一个额外的量子比特，可以用作存储，允许在建立新连接时存储先前生成的量子连接。在建立了量子连接Alice–Bob和Bob–Charlie之后，Bob的一组量子操作将这些连接转换为量子连接Alice-Charlie。或者通过在Bob处执行一组不同的量子操作，在所有三个节点之间建立纠缠。这是第一次由量子处理器构建网络：过去十年来，许多平台都展示了两个处理器之间的单一连接，但尚未实现任何网络。

Ronald Hanson表示：“毫无疑问，量子技术将对世界产生深远的影响，改变信息和通信技术系统，为全社会带来好处。”团队计划目前的原理验证方法将在实验室外的现有电信光纤上进行测试，其中第一个城域网预计将于2022年完成。

郭光灿

中国科学院院士、中国科学技术大学教授、中国科学院量子信息重点实验室主任

上榜理由：将光存储时间提升至1小时；首次演示了多模式量子中继√

20世纪80年代，郭光灿率先将量子光学理论体系引入国内，并身体力行推进相关研究和教育工作。此后，他在国内最早将目光投向量子信息领域，并承担国家“973计划”项目，为中国的量子信息研究与国际同行并驾齐驱作出了巨大贡献。

2021年1月，郭光灿院士团队在量子通信和量子网络的研究中取得重要进展：李传锋、柳必恒研究组与南京邮电大学盛宇波等人合作，利用高品质的超纠缠源，首次实现了11公里的远距离量子纠缠纯化，纯化效率比此前国际最好水平提升了6000多倍；同月，郭光灿院士团队在多参数量子精密测量研究中取得重要实验进展：李传锋、项国勇研究组与香港中文大学袁海东教授在量子精密测量实验中，完全消除了量子比特演化过程中三个待测参数之间的精度制衡，同时实现三个参数达到海森堡极限精度的测量，测量精度比经典方法提高了13.27dB。

3月，郭光灿院士团队在集成光学芯片领域取得新进展：邹长铃研究组在集成光子芯片上实现了基于微腔简并模式的高效光子频率转换，并进一步探究了微腔内的级联非线性光学效应，实现跨波段的频率转换和放大；同月，郭光灿院士团队还在量子信息基础理论研究中取得重要进展：李传锋、项国勇研究组与华沙大学Alexander Streltsov等人合作，将复数作为一种量子资源，揭示了其在局部量子态区分中有着不可替代的作用，并且更进一步在量子资源理论的框架下，研究了该种资源的度量方式以及在各种量子操作下的转化问题。

4月，郭光灿团队李传锋、周宗权研究组将光存储时间提升至1小时，大幅刷新2013年德国团队所创造的光存储1分钟的世界纪录，向实现量子U盘迈出了重要的一步；同月，郭光灿院士团队在光量子信息处理领域取得重要进展：李传锋、许金时等人与上饶师范学院李波、梁晓斌、南开大学陈景灵合作，实验实现了光量子信息的掩蔽，成功地将量子信息隐藏到非局域的量子纠缠态中；不仅如此，郭光灿院士团队在硅基自旋量子比特操控研究中还取得了重要进展：郭国平、李海欧研究组与合作者以及本源量子计算公司合作，对集成微磁体的硅基量子点进行研究，发现了自旋量子比特操控的各向异性——通过改变外加磁场与硅片晶向的相对方向，可以将自旋量子比特的操控速率、退相干速率和可寻址性进行同时优化。

5月，郭光灿院士团队在硅基半导体锗纳米线量子芯片研究中取得了重要进展；同月，郭光灿院士团队在微波谐振腔探测半导体量子芯片上取得重要进展：郭国平、曹刚等人与本源量子计算有限公司合作，利用微波超导谐振腔实现了对半导体双量子点的激发能谱测量。

6月，郭光灿院士团队李传锋、周宗权研究组利用固态量子存储器和外置纠缠光源，实现了两个吸收型量子存储器之间的可预报量子纠缠，并首次演示了多模式量子中继，为构建高效率的全固态量子网络奠定了基础；同月，郭光灿院士团队在光量子芯片研究中取得重要进展：任希锋研究组与中山大学董建文、浙江大学戴道锌等研究组合作，基于光子能谷霍尔效应，在能谷相关拓扑绝缘体芯片结构中实现了量子干涉。该成果为拓扑光子学特别是能谷光子拓扑绝缘体结构应用于更加深入的量子信息处理过程提供了全新的思路。

7月，郭光灿院士团队在量子存储及量子网络研究中取得了原创性进展：李传锋、周宗权研究组提出并进行实验实现了无噪声光子回波，实测噪声比前人的结果降低了670倍并首次观察到了单光子的光子回波，由此实现了高保真度的固态量子存储；同月，郭光灿院士团队在碳化硅色心自旋操控研究中取得重要进展：李传锋、许金时等人与匈牙利魏格纳物理研究中心合作，在国际上首次实现了单个碳化硅双空位色心电子自旋在室温环境下的高对比度读出和相干操控。

8月，郭光灿院士团队在基于离子阱系统寻找黎曼函数零点的研究中取得重要进展：李传锋、黄运锋、崔金明等人联合西班牙理论物理学家Charles Creffield教授和German Sierra教授，利用周期性地驱动囚禁离子的量子状态，成功在实验上测量到黎曼函数的前80个零点。

9月，郭光灿院士团队在高维量子通信研究中取得了重要进展：李传锋、柳必恒研究组与奥地利Marcus Huber教授等人合作，在高噪声环境下实现了高效的高维量子通信；同月，郭光灿院士团队在机器学习提高超导量子比特读取效率上取得重要进展：郭国平教授研究组与本源量子计算公司合作，在本源“夸父”6比特超导量子芯片上研究了串扰对量子比特状态读取的影响，并创新性地提出使用浅层神经网络来识别和读取量子比特的状态信息，从而大幅度抑制了串扰的影响，进一步提高了多比特读取保真度。

10月，中国计算机学会(CCF)量子计算专业组成立大会召开，郭光灿院士当选专业组首届主任。

11月，郭光灿院士团队在纳米尺度量子传感研究中取得重要进展：孙方稳教授课题组将量子传感技术与光学超分辨成像技术相结合，研究纳米尺度电磁场的超小局域和高精度探测，实验实现了百万分之一波长尺度电磁场局域。基于该发现，进一步将局域电磁场能量和与物质相互作用强度分别提升了8个和4个量级；同月，郭光灿院士团队在高维量子通信研究中取得重要进展：李传锋、柳必恒研究组与电子科技大学王子竹教授、奥地利高小钦博士、Miguel Navascués教授等合作，首次实现了高维量子纠缠态的最优检测。

12月，郭光灿院士团队在冷原子超分辨成像研究中取得重要进展：李传锋、黄运锋、崔金明等人在离子阱系统中实现了单个离子的超分辨成像。

除了基础研究外，郭光灿院士还很关心中国量子信息的产业化。谈及中国的量子生态，郭光灿院士表示：“我们的应用生态系统处于早期探索阶段，大部分公司都希望量子计算机建成后能被企业使用，这与目前量子计算的发展模式并不一致。我们应该在企业使用量子计算机时对其进行升级和修改。这是加速发展的途径。”

Vedika Khemani& Pedram Roushan

上榜理由：利用谷歌量子处理器制造时间晶体√

Vedika Khemani(上图左)博士毕业于普林斯顿大学物理系，目前任斯坦福大学应用物理系助理教授；Pedram Roushan(上图右)在伊朗出生和长大，博士毕业于普林斯顿大学，目前就职于谷歌量子硬件团队，研究重点是使用工程量子平台模拟凝聚态系统。

自时间晶体从2012年首次被假设以来，一直都只是理论上的。2021年11月，两位科学家作为第一作者，联合近100位顶尖物理学家在Nature期刊上发表了Time-Crystalline Eigenstate Order on a Quantum Processor论文，声称已经在谷歌的量子处理器“悬铃木”(Sycamore)中构建了这种全新的物相。这一发现颠覆了热力学第二定律，也可能是近几十年来最为重大的一种物理发现。

研究者采用了一个时间反转协议来量化外部退相干的影响，并利用量子典型性来规避密集采样特征谱的指数成本。此外，还通过一个实验性的有限尺寸分析定位了离散时间晶体的相变。这些结果在谷歌量子处理器Sycamore上建立了一个可扩展的研究非平衡相物质的方法。

对于团队来说，新研究的成功不仅仅是意味着创造新的物相，还在于开辟了探索凝聚态物理领域新机制的机会，在这一层面上，粒子的相互作用可能带来新现象和特性。

陆朝阳

青年物理学家、中国科学技术大学教授

上榜理由：“九章二号”量子计算原型机√

1982年出生的陆朝阳，如今已在量子领域深耕近20年。2020年12月，潘建伟、陆朝阳团队成功构建了76个光子100个模式的高斯玻色取样量子计算原型机——“九章”，它对于处理高斯玻色取样的速度比目前世界排名第一的超级计算机“富岳”快一百万亿倍。成为继谷歌后全球第二个实现“量子计算优越性”的量子计算系统。

2021年11月，潘建伟、陆朝阳团队将光量子计算机“九章”探测到的光子从76个增加到113个，速度相比九章1.0提升9个数量级。这一结果对应了希尔伯特空间维数高达10⁴³的取样，对比超算运行的暴力求解取样算法实现了10²⁴倍(亿亿亿倍)的计算速度优势，比九章(10¹⁵)高9个数量级。

同月，德国Falling Walls“2021年度十大科学突破”正式公布，潘建伟和陆朝阳因为“利用光子证明量子计算优越性”(“九章”)获得年度突破奖。

Mikhail Lukin

哈佛大学物理系教授

上榜理由：领导团队开发出256比特量子模拟器√

自2004年以来，Lukin一直是哈佛大学物理学教授，目前任哈佛科学与工程量子倡议的联合主任和哈佛-MIT超冷原子中心的联合主任。

在团队2017年开发的51量子比特系统的基础上进行升级，2021年7月，Mikhail Lukin团队用旧的系统捕获超冷铷原子，并使用一种称为光镊的一维单独聚焦激光束阵列按特定顺序排列它们，开发出了一种特殊类型的量子计算机——可编程量子模拟器，能够操作256个量子比特。这个模拟器已经让研究人员观察到了几种以前从未在实验上实现过的奇异物质量子态，并进行了精确的量子相变研究。

凭借其在科学界的重大贡献，2021年10月，美国物理学会(APS)将Norman F. Ramsey奖(原子、分子和光学物理以及基本定律和对称性的精确检测)授予哈佛大学Mikhail Lukin教授，表彰他对量子信息科学、传感和物理的贡献，包括研发基于里德堡原子的量子模拟器。

12月，Mikhail Lukin还和哈佛大学、麻省理工学院(MIT)的同事提出了一种经典算法：仅1个GPU的资源，可以在数秒之内获得与迄今为止三个随机量子电路采样“量子计算优越性”实验相当的XEB(交叉熵基准)值。这意味着，新的算法0.6秒就可以获得与谷歌“悬铃木”、中国科大“祖冲之2.0”(祖冲之二号)相当的XEB值，1.5秒获得与中国科大“祖冲之2.1”相当的XEB值。

Mikhail Lukin表示：“该系统标志着向制造大规模量子机器迈出了重要一步，我们正在进入量子世界的全新领域。”接下来，Lukin团队还积极探索如何将该系统用于新的应用——从探索量子物质的奇异形式到解决具有挑战性的现实问题——这些问题可以自然地编码在量子比特上。

潘建伟

中国科学技术大学常务副校长、中国科学院院士

上榜理由：建成天地一体化量子通信网络；速度最快的量子随机数发生器；领导两项研究实现“量子计算优越性”√

潘建伟院士于1987年进入中国科学技术大学，后来进入奥地利维也纳大学攻读博士学位，最终回到中国科学技术大学。回国后的潘建伟院士迅速崭露头角：先是于2011年当选中国科学院有史以来最年轻的院士，又于次年当选发展中国家科学院院士；随后在2014年成为了中国科学技术大学副校长。

2020年，潘建伟团队宣布“墨子号”卫星在国际上首次实现千公里级基于粒子纠缠的量子密钥分发(QKD)；成功构建了76个光子100个模式的高斯玻色取样量子计算原型机“九章”。

2021年1月，潘建伟院士团队宣布建成跨越4600公里的天地一体化量子通信网络；3月，潘建伟、窦贤康、徐飞虎等在国际上实现了1.43公里的远距离非视域成像，首次将成像距离从米级提高到公里级，为非视域成像技术的开拓及在实际场景中的应用开辟了新道路；7月，潘建伟团队联合浙江大学储涛教授研究组，通过研制硅基光子集成芯片和优化实时后处理，实现了速率达18.8Gbps迄今最快的实时量子随机数发生器。

8月，团队基于量子隐形传态，更是创造性地提出了直接测量多粒子量子波函数的新方法。与标准量子态断层扫描相比，提出的方法可以有效减少测量装置数量。

9月，包括中国科学技术大学潘建伟、陆朝阳和奥地利维也纳大学Anton Zeilinger在内的一个国际研究团队提出了一种可以实现容错量子计算机的纠错方案。科学家们演示了将编码在物理比特(physical qubit)上的量子信息通过隐形传态技术(teleportation)传送到保真度高达0.786的量子纠错空间保护下的逻辑比特(logic qubit)。

10月，潘建伟、陆朝阳、朱晓波、彭承志等展示了一种新的高性能超导量子处理器的量子计算机辅助设计——他们使用变分量子本征求解器(VQE)模拟约瑟夫森结阵列量子电路，从而发现了一种新型高性能量子比特：plasonium。这项工作为利用现有量子计算资源设计高级量子处理器开辟了道路。

不仅如此，潘建伟院士的成就更是体现在当下备受瞩目的在量子计算机研发领域。2021年5月7日，《科学》杂志发表中国科学技术大学潘建伟团队研究成果，其成功研制出了量子计算原型机“祖冲之号”，操纵的超导量子比特达到62个，并在此基础上实现了可编程的二维量子行走；10月底，中国科学技术大学研究团队的两篇实现“量子计算优越性”的论文同时在国际期刊《物理评论快报》上发表，分别是潘建伟、朱晓波团队的超导量子计算机“祖冲之二号”和潘建伟、陆朝阳团队的光量子计算机“九章二号”。这是中国超导量子计算机首次实现量子计算优越性。至此，中国成为世界上唯一一个在两项技术路线上实现“量子计算优越性”的国家。

未来，潘建伟院士希望构建出完整的天地一体广域量子保密通信网络体系，并与经典通信网络实现无缝连接。以量子信息为代表的第二次量子革命，一定会为人类社会带来更伟大的机遇。

Ciaran Ryan-Anderson

Quantinuum高级物理学家

上榜理由：首次实时检测和纠正量子错误√

2021年11月，霍尼韦尔的子公司Quantinuum实现了一个新成果：在证明基于离子阱技术的大规模量子计算可行性方面迈出了重要一步。Ciaran Ryan-Anderson领导的研究团队宣布，他们可以创建单个逻辑量子比特并应用多轮量子纠错。这个逻辑量子比特可以防止量子计算机中发生的两种主要类型的错误：比特翻转和相位翻转。

这一成果在业界尚属首次突破，逻辑量子比特的增加将迎来容错量子计算机的新时代，这也是大规模量子计算的里程碑。但是Ciaran Ryan-Anderson仍在努力跨越量子纠错的收支平衡点——逻辑量子比特错误率低于物理量子比特错误率的点(创建逻辑量子比特和应用量子纠错码也会给系统带来噪声)。他表示，“我们相信这些改进是可行的，并正在推动完成下一步。”

张潘

中国科学院理论物理研究所研究员、博导

上榜理由：证明经典算法可以更快地模拟谷歌“量子计算优越性”任务√

量子计算飞速发展的同时，经典模拟算法和底层硬件正在不断改进。2020年，阿里巴巴量子计算团队使用张量网络方法估计，在Summit超级计算机上模拟“悬铃木”的53量子比特和20层循环的电路采样只需要20天。

2021年3月，中国科学院的张潘及其学生提出了一种big-head张量网络方法：使用60个英伟达GPU组成的小型计算集群在5天的时间内完成了谷歌的量子霸权实验。他们从具有53个量子比特和20个周期的Sycamore电路中生成了100万个固定条目的相关位串，线性交叉熵基准保真度(FXEB)为0.739，远高于谷歌的结果。

2021年10月，张潘团队提出了一种新的方法来经典地解决样本不相关的问题，只需缩并相应的张量网络一次，并且在获得大量具有目标保真度的不相关样本方面比现有方法要高效得多。对于具有53个量子比特和20层循环的“悬铃木”量子电路，他们在一个有512个GPU的计算集群上花费了大约15个小时。作者估计，如果他们的算法能够在具有百亿亿次性能的现代超级计算机上高效实现，理想情况下模拟将花费几十秒，这比谷歌的量子硬件要快。

朱晓波

中国科学技术大学教授

上榜理由：“祖冲之”系列超导量子计算原型机√

朱晓波于2003年毕业于中科院物理所，2003年至2008年留所工作，随后加入日本NTT基础物性研究所超导量子计算和线路小组。2013年，朱晓波进入中科院物理所工作，又于2016年加入中国科技大学。

经过多年攻关，2021年5月，潘建伟、朱晓波、彭承志等组成的研究团队成功实现62比特可编程超导量子计算原型机“祖冲之号”，并在此基础上实现了可编程的二维量子行走；6月，潘建伟、朱晓波研究团队又成功研制出66量子比特可编程超导量子计算原型机“祖冲之二号”，并利用其中的56量子比特完成了“量子计算优越性”实验，后于11月将量子计算优越性提升了三个数量级。

除了成功研制“祖冲之号”之外，2021年10月，潘建伟、陆朝阳、朱晓波、彭承志等人组成的研究团队展示了一种新的高性能超导量子处理器的量子计算机辅助设计——他们使用变分量子本征求解器(VQE)模拟约瑟夫森结阵列量子电路，从而发现了一种新型高性能量子比特：plasonium。

2021年量子科技领域的累累硕果，离不开全球科研工作者的默默付出。

国内的科学家除了入选本次2021十大年度人物的以外，还有诸如杜江峰院士、金贤敏教授、郭国平教授、彭承志教授、李传锋教授、尤立星教授等等，同样在量子科研的一线默默耕耘，做出了许多推动未来发展的重要贡献。

2021年是量子科技特别是中国量子科技集中爆发的一年，有幸作为中国量子科技的参与者，光子盒在此感谢各位前沿学者的付出、辛勤。

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