Physics World公布2022年十大量子科技进展

光子盒研究院出品

10月，诺贝尔委员会将期待已久的物理学奖授予Alain Aspect、John Clauser和Anton Zeilinger，以表彰他们对量子纠缠的开创性研究，量子物理学家们为此欢欣鼓舞。但是，2022年还有许多其他令人兴奋的发展，以下是Physics World在量子传感、量子信息、量子计算、量子密码学和基础量子科学领域的一些突出成果[1]。

01

感知低于量子极限的加速度

量子力学原理指出，一个量子粒子可以同时出现在多个地方；同时，纠缠原则指出，量子粒子经历了一种联系，允许一个粒子的状况决定另一个粒子的状况，甚至跨越遥远的距离。11月，美国科罗拉多州JILA的物理学家们利用纠缠和脱域的组合来抑制噪音，这种噪音以前曾使人们无法感知低于所谓量子极限的加速度[2]。这个极限是由单个粒子的量子噪声设定的，它长期以来一直是对量子传感器精度的一个重要制约因素。

因此，克服它是科技向前迈出的一大步。

02

通过纠缠实现量子隐形传态

将量子信息从网络中的一个节点传送到另一个节点并不容易。如果把信息编码在光子中，通过光纤发送，光纤的损耗会侵蚀信号的保真度，直到它变得不可读。如果使用量子纠缠来直接传送信息，会引入其他过程，而这些过程也会降低信号的质量。

正如荷兰QuTech的物理学家在2021年所做的那样，在网络中增加第三个节点，只会使任务更加困难。这就是为什么QuTech的研究人员在先前的成功之后，通过中间节点（Bob）将量子信息从发送方（Alice）传送到接收方（Charlie），这让人印象深刻。尽管Alice-Bob-Charlie传输的保真度只有71%，但这比经典极限的2/3要高，而实现这一目标需要研究人员结合并优化几个具有挑战性的实验[3]。相信2023年会有更多相关研究进展。

03

抗干扰的量子计算

物理和逻辑量子比特。通过超高真空室的窗口看到的实验中使用的离子阱。

噪声是量子科学的一个巨大问题。这对计算来说是如此，对传感和通信来说也是如此，这就是为什么纠正这些噪声引起的错误是如此重要。

2022年，物理学家在这方面取得了一些进展，但其中最重要的进展是在5月，奥地利因斯布鲁克大学和德国亚琛工业大学的研究人员首次展示了一整套容错的量子操作。他们的离子阱量子计算机使用七个物理量子比特来制造每个逻辑量子比特，再加上“标记”量子比特来提示系统中存在的危险错误。最重要的是，该系统的错误纠正版本比更简单的未纠正版本表现得更好，说明了该技术的可能性。

04

与设备无关的量子密钥分发

信息安全是量子密码学的优势，但信息的安全性只取决于链中最薄弱的环节。在量子密钥分发（QKD）中，一个潜在的薄弱环节是用于发送和接收密钥的设备，这些设备容易受到传统的黑客攻击（如有人闯入一个节点并篡改系统），即使密钥本身对量子密钥是安全的。一种替代方法是使用与设备无关的QKD（DI-QKD），它使用对光子对中贝尔不等式的测量来确认密钥生成过程没有被篡改。

7月，两个独立的研究小组首次通过实验证明了DI-QKD[4]：在一个案例中，在8个小时内产生了150万个纠缠的贝尔对，并使用它们产生了95884比特长的共享密钥。虽然密钥生成率需要更高，以使DI-QKD在现实世界的加密网络中实用，但原理证明是惊人的。

其中，中国科学技术大学潘建伟及其同事张强、徐飞虎等，通过发展设备无关理论协议和构建高效率的光学量子纠缠系统，首次在国际上实验实现了设备无关量子密钥分发（DI-QKD）的原理性演示。潘建伟团队首次实现了基于全光学系统的DI-QKD原理演示，成码率达到466 bps，并且验证了该系统在光纤长度达到220m时仍然可以产生安全的量子密钥。

05

纠缠电子和光子的纠缠对

在这个实验的艺术表现中，一束自由电子（黄色）经过一个环形微谐振器（黑色）旁边。电子和微谐振器之间的蒸发作用产生了一个与电子纠缠的光子（绿松石色）。

这个列表中的其他纠缠粒子都是相同的：光子与其他光子纠缠，离子与其他离子纠缠，原子与其他原子纠缠。但在量子理论中没有任何东西要求这种对称性，而一类新兴的“混合”量子技术实际上依靠的是将东西混合起来。

由德国马克斯-普朗克多学科研究所的Armin Feist领导的研究人员在8月表明，他们可以利用一个环形的光学微谐振器和一束以切线通过环形的高能电子来纠缠电子和光子。该技术可应用于被称为“预示”的量子过程，即检测纠缠对中的一个粒子表明另一个粒子可用于量子电路。这是今天的基本进展如何推动明天的创新的一个伟大例子。

06

量子隐形传态开启时空虫洞

相当于时空的虫洞已经在一个量子处理器上被创造出来。11月，物理学家宣布了一项首创的“芯片上的量子引力实验”，用加州理工学院的团队负责人Maria Spiropulu的话来说，他们在谷歌的Sycamore量子计算机上运行了一个“虫洞隐形传态协议”，以这样一种方式操纵计算机中的量子信息流，使其在数学上等同或对偶于信息在时空两点之间通过一个虫洞。

全息虫洞在物理学家和普通读者中产生了不同的意见。一些物理学家认为，与它所依据的理论模型相比，量子模拟太过精简，无法像虫洞那样有全息的双重描述。许多人认为，这项工作背后的物理学家，以及报道这项工作的记者，应该更好地强调，这不是一个真正的虫洞；事实上，要在真正的时空中开辟一个虫洞，需要负能量的材料——这似乎并不存在。

除此之外，2022年还有许多其他值得关注的科技进展。例如，一个在意大利和法国的小组，他们对不可区分的光子的不可区分性进行了硬性规定[5]、一个国际团队使用量子违反经典因果关系来更好地理解因果关系的本质[6]、英国爱丁堡大学一对无畏的物理学家表明，量子信号将是技术先进的外星人在星际距离上建立联系的好方法[7]……

2023，我们期待量子领域会有更多突破与进展。

参考链接：

[1]https://physicsworld.com/a/quantum-science-and-technology-our-favourite-research-in-2022/

[2]https://physicsworld.com/a/double-dose-of-quantum-weirdness-pushes-sensors-past-the-limit/

[3]https://physicsworld.com/a/quantum-teleportation-expands-beyond-neighbouring-nodes/

[4]https://physicsworld.com/a/device-independent-qkd-brings-unhackable-quantum-internet-closer/

[5]https://physicsworld.com/a/quantum-teleportation-opens-a-wormhole-in-spacetime/

[6]https://physicsworld.com/a/experiments-with-quantum-cause-and-effect-reveal-hidden-nonclassicality/

[7]https://physicsworld.com/a/aliens-could-use-quantum-signals-to-communicate-with-earth/

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