哈佛大学团队打造量子计算新平台 实现重大纠错里程碑

哈佛大学团队打造量子计算新平台实现重大纠错里程碑哈佛大学团队开发的减少误差的方法解决了扩大技术规模的一个重大障碍。量子计算技术具有前所未有的速度和效率潜力，其能力甚至大大超过了目前最先进的超级计算机。然而，这项创新技术尚未广泛推广或商业化，主要原因是其在纠错方面存在固有的局限性。量子计算机与经典计算机不同，无法通过反复复制编码数据来纠正错误。科学家们必须另辟蹊径。现在，《自然》杂志上的一篇新论文展示了哈佛大学量子计算平台解决量子纠错这一长期问题的潜力。领导哈佛团队的是量子光学专家米哈伊尔-卢金（MikhailLukin），他是约书亚和贝丝-弗里德曼大学物理学教授，也是哈佛量子计划的联合主任。《自然》杂志报道的这项工作由哈佛大学、麻省理工学院和总部位于波士顿的QuEraComputing公司合作完成。GeorgeVasmerLeverett物理教授MarkusGreiner的研究小组也参与了这项工作。经过几年的努力，哈佛平台建立在一个非常冷的、被激光捕获的铷原子阵列上。每个原子就像一个比特（量子世界称之为"量子比特"），可以执行极快的计算。研究小组的主要创新是配置他们的"中性原子阵列"，使其能够通过移动和连接原子（物理学术语称之为"纠缠"），在计算过程中动态改变其布局。纠缠原子对的运算称为双量子比特逻辑门，是计算能力的单位。在量子计算机上运行一个复杂的算法需要许多门。然而，这些门操作是出了名的容易出错，错误的积累会使算法失去作用。在这篇新论文中，研究小组报告说，其双量子比特纠缠门的性能近乎完美，错误率极低。他们首次展示了以低于0.5%的错误率纠缠原子的能力。就运行质量而言，这使他们的技术性能与超导量子比特和困离子量子比特等其他领先类型的量子计算平台不相上下。优势与未来潜力然而，哈佛大学的方法与这些竞争对手相比具有很大的优势，因为它具有大系统规模、高效的量子比特控制以及动态重新配置原子布局的能力。第一作者西蒙-埃弗里德（SimonEvered）是卢金研究小组中哈佛大学格里芬艺术与科学研究生院的一名学生。他介绍说："我们现在的误差率已经足够低了，如果我们把原子组合成逻辑量子比特（信息在组成原子之间非本地存储），这些经过量子误差校正的逻辑量子比特的误差可能比单个原子还要低。"哈佛大学团队的研究进展与哈佛大学前研究生杰夫-汤普森（JeffThompson）（现就读于普林斯顿大学）和哈佛大学前博士后曼努埃尔-恩德雷斯（ManuelEndres）（现就读于加州理工学院）领导的其他创新成果在同一期《自然》杂志上进行了报道。综合来看，这些进展为量子纠错算法和大规模量子计算奠定了基础。所有这些都意味着，中性原子阵列上的量子计算正展现出其广阔的前景。卢金说："这些贡献为可扩展量子计算的特殊机遇打开了大门，也为整个领域的未来带来了真正激动人心的时刻。"参考文献SimonJ.Evered、DolevBluvstein、MarcinKalinowski、SepehrEbadi、TomManovitz、HengyunZhou、SophieH.Li、AlexandraA.Geim、ToutT.Wang、NishadMaskara、HarryLevine、GiuliaSemeghini、MarkusGreiner、VladanVuletić和MikhailD.Lukin的"中性原子量子计算机上的高保真并行纠缠门"，2023年10月11日，《自然》。DOI:10.1038/s41586-023-06481-y编译来源：ScitechDaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1404903.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1404903.htm

量子通信网络里程碑 中国科大实现模式匹配量子密钥分发

量子通信网络里程碑中国科大实现模式匹配量子密钥分发据了解，量子密钥分发(QKD)基于量子力学基本原理，可以实现理论上无条件安全的保密通信，因此在近几十年来一直是学术界的研究热点。模式匹配量子密钥分发协议(MP-QKD)是由清华大学马雄峰研究组于2022年提出的一种新型测量设备无关量子密钥分发协议，相较于原始的测量设备无关协议(MDI-QKD)，MP-QKD可以将更多的探测事件用于成码，可以很大程度提高成码率。同时，相较于双场量子密钥分发协议(TF-QKD)和相位匹配协议（PM-QKD），MP-QKD无需复杂的激光器锁频锁相技术，节省成本且降低了实际应用难度，同时对环境噪声有更好的抗干扰能力。模式匹配量子密钥分发协议示意图潘建伟、陈腾云研究组基于清华大学马雄峰研究组提出的模式匹配量子密钥分发(MP-QKD)协议，利用极大似然估计的数据后处理方法精确地估算出两个独立激光器的频率差用于参数估计，并结合中科院上海微系统所尤立星团队研制的高效率单光子探测器，实现了实验室标准光纤百公里级、两百公里级、三百公里级以及超低损光纤四百公里级的安全成码，相较于之前的原始MDI实验，成码率有明显提升，并且在三百公里和四百公里距离上较之前实验成码率提升了3个数量级。模式匹配协议的成码率比较图上述研究成果表明，MP-QKD在不需激光器锁频锁相的条件下可以实现远距离安全成码且在城域距离有较高成码率，极大地降低了协议实现难度，对未来量子通信网络构建具有重要意义。论文链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.130.030801...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1342729.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1342729.htm

原子"呼吸" - 量子技术的新构件

原子"呼吸"-量子技术的新构件华盛顿大学的研究人员检测到了原子"呼吸"，或原子层之间的机械振动，这可能有助于编码和传输量子信息。他们还创造了一个操纵这些原子振动和光发射的集成设备，推进了量子技术的发展。研究人员还开发了一种装置，可以作为量子技术的一种新型构件，人们普遍预计量子技术未来将在计算、通信和传感器开发等领域有许多应用。研究人员最近在《自然-纳米技术》杂志上发表了他们的发现。"这是一个新的原子级平台，使用科学界所称的'光学机械学'，其中光和机械运动被内在地耦合在一起，"高级作者MoLi说，他是华盛顿大学电气和计算机工程及物理学教授。"它提供了一种新型的参与性量子效应，可以利用它来控制通过集成光学电路运行的单光子，用于许多应用。"AdinaRipin此前，该团队曾研究过一种叫做"激子"的量子级准粒子。信息可以被编码到一个激子中，然后以光子的形式释放出来--一个被认为是光的量子单位的微小能量粒子。每个发射的光子的量子属性--如光子的偏振、波长和/或发射时间--可以作为量子比特的信息，或"量子比特"，用于量子计算和通信。而且，由于这个量子比特是由光子携带的，它以光速传播。"为了可行地拥有一个量子网络，我们需要有可靠地创建、操作、存储和传输量子比特的方法，"主要作者、华盛顿大学物理学博士生AdinaRipin说。"光子是传输这种量子信息的自然选择，因为光纤使我们能够以高速远距离传输光子，而且能量或信息的损失很低。"研究人员正在研究激子，以便创造一个单光子发射器，或"量子发射器"，这是基于光和光学的量子技术的一个关键组成部分。为了做到这一点，研究小组将两层薄薄的钨和硒原子（被称为二硒化钨）放在彼此的上面。LiMo当研究人员测量发射光的光谱时，他们注意到几个等距的峰值。由激子发射的每一个光子都与一个或多个声子耦合在一起。这有点类似于在量子能量阶梯上一次一次地攀登，而在光谱上，这些能量峰值在视觉上被等距的峰所代表。Li说："声子是二硒化钨材料的自然量子振动，它具有垂直拉伸坐在两层中的激子电子-空穴对的效果，"他也是华盛顿大学QuantumX指导委员会的成员，并且是纳米工程系统研究所的一名教师。"这对激子发射的光子的光学特性有明显的影响，这在以前从未报道过。"研究人员很好奇他们是否能将声子用于量子技术。他们施加电压，看到他们可以改变相关声子和发射的光子的相互作用能量。这些变化是可测量并可控制的，其方式与将量子信息编码到单一的光子发射有关，而这一切都在一个集成系统中完成--一个只涉及少量原子的装置。下一步，该团队计划建立一个波导--芯片上的纤维，捕捉单光子发射并将它们引向它们需要去的地方，然后扩大该系统的规模。该团队不希望一次只控制一个量子发射器，而是希望能够控制多个发射器及其相关的声子状态。这将使量子发射器能够相互"交谈"，这是朝着为量子电路建立一个坚实基础迈出的一步。Li说："我们的首要目标是创建一个带有量子发射器的集成系统，该系统可以使用通过光路运行的单光子和新发现的声子来做量子计算和量子传感，这一进展当然将有助于这一努力，它有助于进一步发展量子计算，而量子计算在未来将有许多应用。"...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1366241.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1366241.htm

英特尔在量子点阵列的有效产量方面达到了关键里程碑

英特尔在量子点阵列的有效产量方面达到了关键里程碑英特尔在为高性能计算机的新时代制造量子芯片方面已经超越了一个关键的里程碑。在英特尔位于俄勒冈州希尔斯伯勒的戈登·摩尔晶体管研发机构，实验室和组件研究部门宣称已经为硅自旋量子比特设备的EUV生产，或极紫外光刻技术建立了最高的成果记录，这意味着英特尔离量子芯片的生产又近了一步。PC版：https://www.cnbeta.com/articles/soft/1324901.htm手机版：https://m.cnbeta.com/view/1324901.htm

让时间逆转的光子学实验解决了量子悖论

让时间逆转的光子学实验解决了量子悖论长期以来，人们不知道这如何能与热力学同时成为事实。在那里，时间有一个方向，信息也会丢失。"想想两张照片，你把它们放在阳光下太久了，过了一段时间，你就无法再分辨它们了，"作者JelmerRenema解释说。特文特大学的一个研究小组通过使用一个带有光子通道的光学芯片成功地说明了量子力学和热力学可以共存。这些通道单独显示出符合热力学的无序状态，而整个系统由于子系统的纠缠而符合量子力学，证明了信息可以被保存和传输。资料来源：特文特大学对于这个量子难题已经有了理论上的解决方案，甚至用原子做了实验，但现在特文特大学（UT）的研究人员也用光子证明了这一点。Renema解释说："光子有一个优势，用它来逆转时间是非常容易的。在实验中，研究人员使用了一个带有通道的光学芯片，光子可以通过这些通道。起初，他们可以准确地确定每个通道中有多少个光子，但之后，光子就会改变位置。当我们观察单个通道时，它们遵守热力学定律，建立了无序状态。基于对一个通道的测量，我们不知道有多少光子仍在该通道中，但整个系统与量子力学是一致的。"各种通道--也被称为子系统是纠缠在一起的。一个子系统中丢失的信息在另一个子系统中'消失'了。JelmerRenema博士是自适应量子光学研究小组的助理教授。他也是特温特大学的特色科学家之一。他与一个团队一起做了这项研究，其中包括柏林自由大学的延斯-艾塞特教授博士的研究小组，他们在证明实验的可逆性方面发挥了重要作用。他们最近在科学杂志《自然通讯》上发表了题为"集成量子光子处理器中的热力学量子模拟"的文章。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1369905.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1369905.htm

中国科大首次实现光子的分数量子反常霍尔态

中国科大首次实现光子的分数量子反常霍尔态成果示意图。16个非线性“光子盒”阵列囚禁的微波光子强相互作用形成分数量子反常霍尔态。霍尔效应是指当电流通过置于磁场中的材料时，电子受到洛伦兹力的作用，在材料内部产生垂直于电流和磁场方向的电压。反常霍尔效应是指无需外部磁场的情况下观测到相关效应。分数量子霍尔态展现出非平庸的多体纠缠，对其研究所衍生出的拓扑序、复合费米子等理论成果逐渐成为多体物理学的基本模型。与此同时，分数量子霍尔态可激发出局域的准粒子，这种准粒子具有奇异的分数统计和拓扑保护性质，有望成为拓扑量子计算的载体。传统的量子霍尔效应实验研究采用“自顶而下”的方式，即在特定材料的基础上，利用该材料已有的结构和性质实现制备量子霍尔态。通常情况下，需要极低温环境、极高的二维材料纯净度和极强的磁场，对实验要求较为苛刻。此外，传统“自顶而下”的方法难以对系统微观量子态进行单点位独立地操控和测量，一定程度上限制了其在量子信息科学中的应用。人工搭建的量子系统结构清晰，灵活可控，是一种“自底而上”研究复杂量子物态的新范式。其无需外磁场，通过变换耦合形式即可构造出等效人工规范场；通过对系统进行高精度可寻址的操控，可实现对高集成度量子系统微观性质的全面测量，并加以进一步可控的利用。这类技术被称为量子模拟，是“第二次量子革命”的重要内容，有望在近期应用于模拟经典计算困难的量子系统并达到“量子计算优越性”。据介绍，此前，国际上已经基于其开展了一些合成拓扑物态、研究拓扑性质的量子模拟工作。然而，由于以往系统中耦合形式和非线性强度的限制，人们一直未能在二维晶格中为光子构建人工规范场。为解决这一重大挑战，研究团队在国际上自主研发并命名了一种新型超导量子比特Plasmonium，打破了目前主流的Transmon（传输子型）量子比特相干性与非简谐性之间的制约，用更高的非简谐性提供了光子间更强的排斥作用。进一步，团队通过交流耦合的方式构造出作用于光子的等效磁场，使光子绕晶格的流动可积累Berry（贝里）相位，解决了实现光子分数量子反常霍尔效应的两个关键难题。同时，这样的人造系统具有可寻址、单点位独立控制和读取，以及可编程性强的优势，为实验观测和操纵提供了新的手段。在该项工作中，研究人员观测到了分数量子霍尔态独有的拓扑关联性质，验证了该系统的分数霍尔电导。同时，他们通过引入局域势场的方法，跟踪了准粒子的产生过程，证实了准粒子的不可压缩性质。《科学》杂志审稿人高度评价这一工作，认为这一工作“是利用相互作用光子进行量子模拟的重大进展”“一种新颖的局域单点控制和自底而上的途径”。诺贝尔物理学奖得主FrankWilczek评价，这种“自底而上”、用人造原子构建哈密顿量的途径是一个“非常有前途的想法”，这是一个令人印象深刻的实验，为基于任意子的量子信息处理迈出了重要一步。沃尔夫奖获得者PeterZoller评价，“这在科学和技术上都是一项杰出的成就”“实现这样的目标是多年来全球顶级实验室竞争的量子模拟的圣杯之一”。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1430083.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1430083.htm