2021年度“墨子量子奖”颁给了超导量子研究

光子盒研究院出品

3月2日，2021年度“墨子量子奖”公布，今年的获奖领域是超导器件中量子效应的观察，获奖者有三位：

加州大学伯克利分校的John Clarke

耶鲁大学的Michel H. Devoret

日本理化学研究所(RIKEN)的中村泰信(Yasunobu Nakamura)

三位的获奖理由是“在开创超导量子电路和量子比特方面的领导作用。”每位获奖者将获得由“墨子量子基金会”赞助的125万元人民币(税后约15万美元)现金和一枚荣誉奖章。

John Clarke

John Clarke出生于1942年，1964年和1968年于剑桥大学分别取得学士和博士学位，现在是加州大学伯克利分校教授。

在超导和超导电子学方面，他做出了重大贡献，特别是在SQUID(superconducting quantum interference device，即超导量子干涉器件)的开发和应用领域。SQUID是一种超灵敏的磁通量探测器，在核磁共振成像、量子基础性研究、冷暗物质寻找等前沿科学与技术领域都发挥着关键性作用。他的研究团队还首次观测到了介观系统中能级的量子化：他们在实验上证实了就像原子一样，单个约瑟夫森结也具有分立的能级。

Michel H. Devret

Michel H. Devret出生于1953年，1975和1982年分别于巴黎高等电信学院和巴黎第十一大学取得学士和博士学位，现在是耶鲁大学教授。他的主要研究领域是实验固态物理学，特别是腔量子电动力学、量子电子学、量子计算和量子传感中超导电路的物理等方向。在利用超导电路来实现量子信息处理方面，他作出了重要贡献。

中村泰信

中村泰信出生于1968年，1990年和2011年于东京大学分别取得学士和博士学位，现在是日本理化学研究所(RIKEN)教授。

他的主要研究方向是超导电路和混合量子系统中的量子电子学，特别关注电子和光学器件中量子态的操控和测量。1999年，他和合作者演示了固态电子器件中量子比特的相干控制。

超导量子电路的发展可以追溯到40年多前。20世纪80年代初，Leggett提出了测试宏观集体变量是否可以表现出量子力学行为的实验：他质疑了传统哥本哈根解释——世界被划分为服从量子力学的微观系统和经典的宏观系统，包括测量仪器。特别的，Leggett提出约瑟夫森隧道结相位差所代表的宏观集体变量，本质上是约瑟夫森隧道结上电压的积分；因此，可以充分地在宏观层面上测试量子力学的有效性。在建立两个相干的宏观状态的过程中，Leggett率先发现了一个重要的中间步骤：宏观量子隧穿(MQT)——集体宏观变量穿过一个能量势垒。

1980年，在加州大学伯克利分校，Koch、Van Harlingen和John Clarke从理论上证明，电阻分路约瑟夫森结的白噪声受到通过分流电阻器的电流量子涨落的限制，分流电阻器是一种宏观集体电变量，按照Leggett的想法，用量子力学处理。

随后，1984年仍然在伯克利，Devoret、Martinis、Esteve和Clarke发明了电流偏置约瑟夫森结中的谐振激活的概念，这种技术第一次允许在没有拟合参数的情况下将MQT的实验结果与Caldeira-Leggett理论进行比较，从而消除了可能的假象。

1985年，Martinis、Devoret和Clarke证明了电流偏压约瑟夫森结中能级的量化；同年，Devoret、Martinis和Clarke证明了MQT遵循Leggett的理论，所有相关参数都是在经典极限下原位测量。

1997年，巴黎萨克雷大学的Devoret团队(包括Esteve)在实现了后来被称为电荷量子比特的库珀对盒，并表明其基态是电荷状态的量子叠加；该团队指出，这个电路构成了一个超导量子比特。同年，在NEC公司，中村泰信团队在微波光谱中观察到了超导单电子晶体管的能级反交叉，作为电荷状态叠加的证据。

1998年，中村泰信、Pashkin和蔡兆申在NEC再次利用库珀对-准粒子循环证明了库珀对盒的基态和激发态之间的Rabi振荡，这个实验唤醒了凝聚态物理学界，让他们意识到了具有可控动力学的超导量子比特的可能性。

2002年，Devoret团队通过将库珀对盒的相干时间提高两个数量级，证明了量子比特中的Ramsey条纹和Rabi振荡。用量子信息语言来说，这一成果完成了对布洛赫球的完全单量子比特控制。

之后，超导量子比特家族继续壮大，除了电荷量子比特和quantronium外，现在还包括通量量子比特、相位量子比特、transmon和fluxonium。

在过去的25年里，超导量子比特的相干时间已经提高了6个数量级，使其成为实现大规模量子计算的有吸引力的候选者。目前最常用的超导设备设计是基于transmon量子比特和电路量子电动力学，这是由Schoelkopf、Girvin、Devret和他们在耶鲁的同事开发的。

基于超导量子比特的“祖冲之号”

John Clarke、Michel H. Devret和中村泰信领导的开创性研究为丰富和快速发展超导量子电路奠定了基础，为了表彰这一系列工作，评委会最终决定授予他们2021年度“墨子量子奖”。

在过去的几十年里，人们在利用量子叠加和纠缠进行新的信息处理方式的理解以及在单个量子粒子的相干控制和相互作用的实验方法方面取得了深刻的进展，从而催生了一个新兴的量子技术领域，也称为第二次量子革命，超越了第一次量子革命单纯利用自然发生的量子效应。第二次量子革命在推动和实现新一代经典设备不可能完成的任务，从无条件安全的量子通信、超级强大的量子模拟和量子计算，到极其敏感的测量。

为了推动第二次量子革命，中国民间企业家们慷慨捐资一亿元，2018年成立了“墨子量子科技基金会”。这个基金会是以中国古代哲学家墨子命名的。墨子强烈主张和平，提出了“兼爱”的概念，并完成了原创性的科学工作，如证明光是直线传播的小孔成像实验。在他的书中，包含了牛顿第一运动定律的一些初步想法：“运动的停止是由于相反的力……如果没有相反的力……运动永远不会停止。”墨子还认为，物体可以无限地分割成小块，但粒子有一个最小的基本单位，这一概念与我们的现代量子物理学不谋而合。

基金会设立“墨子量子奖”，通过广泛邀请提名和国际专家评审，严格遴选和表彰国际上在量子通信、量子模拟、量子计算和量子精密测量等领域做出杰出贡献的科学家。

迄今为止，墨子量子奖共颁发了4次，表彰了从早期概念贡献到近期实验突破的重大科学进步。

参考链接：

[1]http://www.miciusprize.org/index/lists/003004

[2]https://mp.weixin.qq.com/s/FnHxMbpp2tiwOD4LUOnjKQ

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