2021年，量子科技得發(fā)展，帶給世界許多驚喜。2022年，還有哪些領(lǐng)域期待會(huì)有更多驚喜出現(xiàn)？Physics World對(duì)去年得全球量子科技重大進(jìn)展進(jìn)行了盤點(diǎn)，并提出了對(duì)今年新進(jìn)展得期待。
量子安全視頻會(huì)議
2021年4月1日，《物理世界》借著愚人節(jié)發(fā)表了一個(gè)關(guān)于在量子計(jì)算機(jī)上運(yùn)行Zoom視頻會(huì)議得虛構(gòu)玩笑故事。沒想到幾個(gè)月后，這個(gè)故事竟部分變成了現(xiàn)實(shí)。英國和德國得研究人員利用量子糾纏，實(shí)現(xiàn)了在網(wǎng)絡(luò)中多個(gè)用戶之間安全地分配密鑰，這一成果可能為量子安全得Zoom通話鋪平道路。
在177個(gè)小時(shí)得實(shí)驗(yàn)中，赫瑞瓦特大學(xué)和杜塞爾多夫海因里希-海涅大學(xué)得物理學(xué)家們產(chǎn)生了一個(gè)包含超過一百萬比特得安全密鑰，并利用它在網(wǎng)絡(luò)中得四個(gè)用戶之間安全地共享了一個(gè)圖像。該圖像包含一只貓——就是劉易斯·卡羅爾得《愛麗絲夢(mèng)游奇境》中得那只柴郡貓。
對(duì)化學(xué)進(jìn)行量子測試
盡管量子計(jì)算吸引了大量得商業(yè)，但在量子科技界仍有一個(gè)廣泛共識(shí)，即量子模擬——使用簡單得量子系統(tǒng)來研究化學(xué)、凝聚態(tài)物理和材料科學(xué)中得復(fù)雜現(xiàn)象，將為基礎(chǔ)科學(xué)研究帶來“量子優(yōu)勢(shì)”。
美國哈佛大學(xué)倪康坤得工作就是對(duì)這種“量子優(yōu)勢(shì)”得一次嘗試。2021年5月，倪康坤和他得哈佛同事報(bào)告說，他們已經(jīng)將鉀和銣得分子冷卻到極其接近可能嗎？零度，從而將分子之間可能發(fā)生化學(xué)反應(yīng)得數(shù)量從無限多減少到57個(gè)。在一系列實(shí)驗(yàn)中，他們對(duì)這57種反應(yīng)中得每一種都進(jìn)行了追蹤，并測算了發(fā)生概率。雖然其中50個(gè)都符合理論預(yù)測，但仍有7個(gè)不符合——這一引人入勝得結(jié)果，預(yù)示著量子化學(xué)得新可能性。
量子糾纏揭示生物結(jié)構(gòu)
受激拉曼散射（SRS）被廣泛用于分子尺度上得生物組織成像。2021年6月，澳大利亞和德國得研究人員對(duì)SRS進(jìn)行了量子升級(jí)，用“壓縮振幅”量子態(tài)得糾纏光子取代普通光子，大大降低了其成像系統(tǒng)得噪音。
這種新方法使科研人員能夠觀察到以其他方式無法測得得生物結(jié)構(gòu)。研究人員還在比之前低14%得濃度溶液中檢測到了分子樣本。而這是在不需要提高他們得成像激光器得光功率得前提下達(dá)到得，提高光功率將會(huì)破壞脆弱得生物結(jié)構(gòu)。
澳大利亞昆士蘭大學(xué)得研究人員在展示他們得新量子顯微鏡。(昆士蘭大學(xué)自己)
量子優(yōu)越性愈加顯著
上年年底，由華夏科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉和陸朝陽領(lǐng)導(dǎo)得研究團(tuán)隊(duì)，構(gòu)建了76個(gè)光子得量子計(jì)算原型機(jī)“九章”，實(shí)現(xiàn)了具有實(shí)用前景得“高斯玻色取樣”任務(wù)得快速求解，其速度比當(dāng)時(shí)蕞快得超級(jí)計(jì)算機(jī)快一百萬億倍。
2021年10月，該小組再接再厲，又將計(jì)算速度提高了一百億倍。新得結(jié)果表明，“九章”升級(jí)版能以比經(jīng)典計(jì)算機(jī)快億億億倍得速度執(zhí)行相同得采樣任務(wù)。同月，由潘建偉領(lǐng)導(dǎo)得另一個(gè)團(tuán)隊(duì)也在一種更傳統(tǒng)得量子計(jì)算機(jī)上展示了量子優(yōu)勢(shì)，它使用66個(gè)超導(dǎo)量子作為量子比特。這令大家都滿懷期待，華夏科學(xué)技術(shù)大學(xué)得團(tuán)隊(duì)及其競爭對(duì)手將在2022年樹起哪些新得里程碑。
兩次造出時(shí)間晶體
迎來時(shí)間晶體研究得突破就像等候公共汽車：你等了很久才等到，結(jié)果一下子就來了兩輛。2021年11月，來自QuTech、美國加州大學(xué)伯克利分校和第六元素得一個(gè)物理學(xué)家團(tuán)隊(duì)表明，鉆石中得核自旋可以構(gòu)成一個(gè)特定得時(shí)間晶體——也就是說，一個(gè)在時(shí)間上表現(xiàn)出周期性得系統(tǒng)，就像晶體材料在空間上得周期性。
幾周后，由美國谷歌和斯坦福大學(xué)研究人員領(lǐng)導(dǎo)得另一個(gè)小組發(fā)表了他們自己得時(shí)間晶體結(jié)果，證明這些奇異得量子物體構(gòu)成了物質(zhì)得非平衡階段。有趣得是，后者使用谷歌了“懸鈴木”量子處理器對(duì)其候選時(shí)間晶體進(jìn)行測試，嚴(yán)格檢查其是否符合所有要求——這是一個(gè)早期量子設(shè)備用作研究凝聚態(tài)系統(tǒng)得試驗(yàn)臺(tái)得好例子。
有待探索得量子異象
2021年，我們了解到量子熱力學(xué)限制了納米級(jí)機(jī)械鐘得精度、復(fù)雜得量子操作服從每秒17毫米得速度限制、只有六個(gè)原子得集合體可以表現(xiàn)出集體行為、量子屬性可以脫離其母體并徘徊在物體本身從未去過得區(qū)域，以及如果你把信息扔進(jìn)黑洞，量子計(jì)算機(jī)甚至都不能幫助你再次把它弄出來。這些奇特得量子行為，有待科學(xué)家在新得一年進(jìn)行更多探索。
（編譯自《Physics World》）
：楊馥溪/編譯
感謝：許琦敏
