中国量子计算优越性实验入选国际物理学十大进展

中国量子计算优越性实验入选国际物理学十大进展美国物理学会Physics网站12月21日公布2021年国际物理学领域十项重大进展，中国科学技术大学潘建伟、朱晓波、陆朝阳等完成的“祖冲之二号”和“九章二号”量子计算优越性实验与美国宇航局“帕克”太阳探测器首次飞越太阳的日冕层、费米国家加速器实验室发现基本粒子缪子的行为和标准模型理论预言不相符等十项研究成果入围。据《中国科学报》报道，著名物理学期刊《物理评论快报》10月25日刊发中国科学技术大学潘建伟院士团队关于量子计算的两大成果。其中，他们成功构建了66比特可编程超导量子计算原型机“祖冲之二号”，实现对“随机线路取样”问题的快速求解，比目前最快的超级计算机快数万倍，使得中国首次在超导量子体系达到“量子计算优越性”里程碑。在光子体系，他们在世界首个达到“量子计算优越性”的“九章”光量子计算原型机的基础上，研制出113个光子144模式的“九章二号”，实现了相位可编程功能，对“高斯玻色取样”问题的求解速度比目前最快的超级计算机快亿亿亿倍，再次刷新世界纪录。这一系列成果使中国成为目前国际上唯一同时在两种物理体系均达到“量子计算优越性”里程碑的国家。美国物理学会评价认为，中国科学技术大学研究团队在与谷歌、IBM等竞争中脱颖而出，提供了令人信服的实验论据，在他们的超导和光学量子计算机展示了卓越的量子计算优越性。发布：2021年12月22日9:18PM

物理学家成功模拟相互作用量子粒子系统中的超级扩散

物理学家成功模拟相互作用量子粒子系统中的超级扩散这项工作是TCD-IBM博士前奖学金项目的首批成果之一，该项目是最近设立的，IBM在三一学院联合指导博士生的同时，还聘用博士生作为员工。该论文最近发表在著名的《自然》杂志《NPJ量子信息》上。IBM是令人兴奋的量子计算领域的全球领导者。这项研究中使用的早期量子计算机由27个超导量子比特组成（量子比特是量子逻辑的构件），物理上位于IBM位于纽约约克城高地的实验室内，并在都柏林进行远程编程。量子计算是目前最令人兴奋的技术之一，预计在未来十年内将逐渐接近商业应用。除了商业应用，量子计算机还能帮助解决一些令人着迷的基本问题。都柏林圣三一大学和IBM的团队就解决了这样一个有关量子模拟的问题。新成立的圣三一量子联盟（TrinityQuantumAlliance）主任约翰-戈尔德（JohnGoold）教授是这项研究的负责人，他在解释这项工作的意义和量子模拟的总体理念时说"一般来说，模拟由许多相互作用的成分组成的复杂量子系统的动力学问题，对传统计算机来说是一项艰巨的挑战。考虑到这一特定设备上的27个量子位。在量子力学中，这样一个系统的状态是由一个称为波函数的对象来进行数学描述的。要使用标准计算机来描述这个对象，就需要在内存中存储大量的系数，而这些系数的需求是随着量子比特数量的增加而呈指数级增长的；在这个模拟案例中，大约需要1.34亿个系数。""当系统增长到300个比特时，要描述这样一个系统，所需的系数将超过可观测宇宙中的原子数量，而任何经典计算机都无法精确捕捉系统的状态。换句话说，我们在模拟量子系统时会碰壁。使用量子系统模拟量子动力学的想法可以追溯到美国诺贝尔物理学奖得主理查德-费曼，他提出量子系统最好使用量子系统模拟。原因很简单--你自然会利用量子计算机是由波函数描述的这一事实，从而规避了存储状态所需的指数级经典资源"。那么，研究小组究竟模拟了什么呢？Goold教授继续介绍说："一些最简单的非三维量子系统是自旋链。这些系统由被称为自旋的小磁体连接而成，模仿更复杂的材料，用于理解磁性。我们对一种叫做海森堡链的模型很感兴趣，尤其对自旋激发如何在整个系统中传输的长时间行为感兴趣。在这种长时限制下，量子多体系统进入流体力学体系，传输由描述经典流体的方程来描述。""我们对一种特殊的机制很感兴趣，在这种机制中，由于基础物理学受卡尔达-帕里斯-张方程（Kardar-Parisi-Zhangequation）的支配，会出现一种叫做超扩散的现象。该方程通常描述表面或界面的随机增长，如暴风雪中雪的高度如何增长，咖啡杯在布上的污渍如何随时间增长，或绒毛火如何增长。这种传播被称为超扩散传输。这种传输会随着系统规模的增大而变得越来越快。令人惊奇的是，量子动力学中也出现了支配这些现象的方程，我们能够利用量子计算机来验证这一点。这是这项工作的主要成就。"IBM-Trinity博士前期学者内森-基南（NathanKeenan）是该项目的编程人员，他向我们讲述了量子计算机编程所面临的一些挑战。他说："量子计算机编程的最大问题是在存在噪声的情况下进行有用的计算。在芯片级执行的运算并不完美，而且计算机对来自实验室环境的干扰非常敏感。因此，总是希望尽量缩短有用程序的运行时间，因为这将缩短这些错误和干扰发生并影响结果的时间。"IBM英国和爱尔兰研究院院长胡安-贝尔纳贝-莫雷诺（JuanBernabé-Moreno）说："IBM在推动量子计算技术方面有着悠久的历史，不仅带来了数十年的研究成果，还提供了最大、最广泛的商业量子计划和生态系统。我们与都柏林圣三一学院通过量子科学与技术硕士和博士项目开展的合作就体现了这一点，我很高兴这项合作已经取得了可喜的成果。"随着世界进入量子模拟的新时代，令人欣慰的是，都柏林圣三一学院的量子物理学家站在最前沿--为未来的设备编程。量子模拟是由约翰-古尔德（JohnGoold）教授创立并领导的新成立的三位一体量子联盟的核心研究支柱，该联盟拥有五家创始工业合作伙伴，包括IBM、微软、Algorithmiq、Horizon和MoodysAnalytics。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1388299.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1388299.htm

物理学家利用振动来防止量子计算中的信息丢失

物理学家利用振动来防止量子计算中的信息丢失密歇根州立大学的研究人员发现了如何利用振动（通常是量子计算中的障碍）作为稳定量子态的工具。他们的研究为控制量子系统中的环境因素提供了见解，并对量子技术的发展产生了影响。当量子系统（如量子计算机中使用的量子系统）在现实世界中运行时，它们可能会因机械振动而丢失信息。然而，由密歇根州立大学领导的新研究表明，更好地理解量子系统与这些振动之间的耦合关系可以用来减少损失。这项发表在《自然-通讯》（NatureCommunications）杂志上的研究可以帮助改进IBM和Google等公司目前正在开发的量子计算机的设计。振动问题密歇根州立大学博士生乔-基茨曼（JoeKitzman）说："每个人都对建造量子计算机来回答真正困难和重要的问题感到非常兴奋。但振动激发真的会把量子处理器搞得一团糟。"然而，通过发表在《自然-通讯》（NatureCommunications）杂志上的新研究，基茨曼和他的同事们表明，这些振动并不一定是阻碍。事实上，它们可能有利于量子技术。"如果我们能够理解振动是如何与我们的系统耦合的，我们就可以将其作为一种资源和工具，用于创建和稳定某些类型的量子态，"基茨曼说。量子技术的好处这意味着研究人员可以利用这些成果帮助减少量子比特或量子比特（读作"qbits"）丢失的信息。传统计算机依赖于清晰的二进制逻辑。比特以两种不同的可能状态之一（通常表示为0或1）来编码信息。而Qubits则更加灵活，可以同时存在于0和1两种状态。虽然这听起来像是作弊，但它完全符合量子力学的规则。尽管如此，在解决科学、金融和网络安全等多个领域的某些问题时，量子计算机的这一特性应该会比传统计算机更具优势。进一步的影响和实验除了对量子技术的影响，MSU领导的团队的报告还有助于为未来的实验奠定基础，以便更好地探索量子系统。MSU物理与天文学系杰里-考恩物理学捐赠讲座教授约翰内斯-波拉南（JohannesPollanen）说："理想情况下，想把你的系统与环境分开，但环境始终存在。它几乎就像你不想处理的垃圾，但当你处理它时，你可以了解量子世界的各种精彩元素。"量子系统和新兴技术Pollanen还领导着自然科学学院的混合量子系统实验室，Kitzman也是该实验室的成员之一。在Pollanen和Kitzman领导的实验中，研究小组建立了一个由超导量子比特和所谓的表面声波谐振器组成的系统。这些量子比特是开发量子计算机的公司中最受欢迎的品种之一。机械谐振器用于许多现代通信设备，包括手机和车库门开启器，而现在，像波拉宁这样的研究小组正在将它们用于新兴的量子技术。研究小组的谐振器使研究人员能够调整量子比特所经历的振动，并了解两者之间的机械相互作用如何影响量子信息的保真度。Pollanen说："我们正在创建一个范例系统，以了解这种信息是如何被扰乱的。我们可以控制环境，在这种情况下，可以控制谐振器中的机械振动，也可以控制量子位"。"如果你能了解这些环境损耗是如何影响系统的，你就可以利用这一点，"基茨曼说。"解决问题的第一步就是了解问题"。Pollanen说，MSU是仅有的几个有设备和人员在这些耦合量子比特-机械谐振器装置上进行实验的地方之一，研究人员很高兴能利用他们的系统进行进一步的探索。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1378577.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1378577.htm

打破二进制：物理学家将两个量子数字完全纠缠在一起

打破二进制：物理学家将两个量子数字完全纠缠在一起真空室今天的量子计算机是从二进制系统中产生的，但编码其量子比特（qubits）的物理系统也有能力编码量子数字（qudits）。这一点最近由因斯布鲁克大学实验物理系的马丁-林鲍尔领导的团队所证明。据苏黎世联邦理工学院的实验物理学家PavelHrmo称："基于量子比特的量子计算机所面临的挑战是在高维信息载体之间有效地创建纠缠。"在2023年4月19日发表在《自然通讯》杂志上的一项研究中，因斯布鲁克大学的团队现在报告，两个量子比特如何能够以前所未有的性能相互完全纠缠，为更高效和强大的量子计算机铺平道路。像量子计算机一样思考数字9的例子表明，虽然人类能够一步到位地计算出9×9=81，但经典计算机（或计算器）必须算1001×1001，在幕后进行许多步的二进制乘法，才能在屏幕上显示81。在经典的情况下，我们可以承受这样做，但在量子世界中，计算对噪声和外部干扰本质上是敏感的，我们需要减少所需的操作数量，以充分利用现有的量子计算机。对于量子计算机上的任何计算来说，至关重要的是量子纠缠。纠缠是独特的量子特征之一，它支撑着量子在某些任务中大大超过经典计算机的潜力。然而，利用这种潜力需要产生稳健和准确的高维纠缠。量子系统的自然语言因斯布鲁克大学的研究人员现在能够完全纠缠两个量子，每个量子都被编码在单个钙离子的多达5个状态中。这给理论和实验物理学家提供了一个新的工具来超越二进制信息处理，这可能导致更快和更强大的量子计算机。马丁-林鲍尔解释说："量子系统有许多可用的状态，等待着被用于量子计算，而不是限制他们与量子比特一起工作。当今许多最具挑战性的问题，在化学、物理学或优化等不同领域，都可以从量子计算这种更自然的语言中受益。"...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1356777.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1356777.htm

量子物理学家取得具有巨大意义的纳米级突破：同时控制两个量子光源

量子物理学家取得具有巨大意义的纳米级突破：同时控制两个量子光源在大多数情况下，从一到二是一个小成就。但在量子物理学的世界里，这样做是至关重要的。多年来，世界各地的研究人员一直在努力开发稳定的量子光源，并实现被称为量子机械纠缠的现象--这种现象具有近乎科幻的特性，两个光源可以立即相互影响，并可能跨越很大的地理距离。纠缠是量子网络的基础，也是开发高效量子计算机的核心。来自尼尔斯-玻尔研究所的研究人员在备受推崇的《科学》杂志上发表了一项新成果，他们在其中成功地做到了这一点。据该成果背后的研究人员之一彼得-洛达尔教授称，这是努力将量子技术的发展推向新的水平，并将社会的计算机、加密和互联网"量化"的关键一步。该发明背后的部分团队。左起：PeterLodahl,AndersSørensen,VasilikiAngelopoulou,YingWang,AlexeyTiranov,CornelisvanDiepen."我们现在可以控制两个量子光源并将它们相互连接。这听起来可能不算什么，但这是建立在过去20年的工作基础上的重大的进步，自2001年以来一直从事该领域研究的彼得-洛达教授说："通过这样做，我们已经揭示了扩大技术规模的关键，这对最具突破性的量子硬件应用至关重要。"所有的魔法都发生在一个所谓的纳米芯片中--它不比人类头发的直径大多少--研究人员也在最近几年开发了这个芯片。彼得-洛达尔的小组正在研究一种量子技术，该技术使用被称为光子的光粒子作为微观运输工具来移动量子信息。虽然洛达赫的小组是这个量子物理学科的领导者，但直到现在他们也只能一次控制一个光源。这是因为光源对外界的"噪音"异常敏感，使得它们非常难以复制。在他们的新成果中，该研究小组成功地创造了两个相同的量子光源，而不是只有一个。"纠缠意味着，通过控制一个光源，你会立即影响到另一个。这使得创建一个由纠缠的量子光源组成的整个网络成为可能，所有这些光源都相互作用，你可以让它们以与普通计算机中的比特相同的方式进行量子比特操作，只是要强大得多。"文章的主要作者、博士后阿列克谢-提拉诺夫解释说。这是因为一个量子位可以同时是1和0，这导致处理能力是使用今天的计算机技术无法达到的。据Lodahl教授说，从一个量子光源发出的仅仅100个光子将包含比世界上最大的超级计算机所能处理的更多信息。通过使用20-30个纠缠的量子光源，有可能建立一个通用的纠错量子计算机--这是量子技术的终极"圣杯"，大型IT公司现在正投入数十亿美元。根据Lodahl的说法，最大的挑战是要从控制一个量子光源到两个量子光源。其中，这使得研究人员有必要开发极其安静的纳米芯片，并对每个光源进行精确控制。随着新研究的突破，基本的量子物理研究已经到位。现在，是时候让其他行为者接受研究人员的工作，并将其用于寻求在一系列技术中部署量子物理，包括计算机、互联网和加密。"对于一所大学来说，建立一个我们控制15-20个量子光源的装置是太昂贵了。因此，现在我们已经为理解基本的量子物理学做出了贡献，并在这条路上迈出了第一步，进一步扩大规模在很大程度上是一项技术任务，"Lodahl教授说。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1345213.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1345213.htm

新算法将物理问题转化为量子语言

新算法将物理问题转化为量子语言谷歌公司科学家设计出一种算法，可将复杂的物理问题转化为量子物理学的语言，这可能使量子计算机变得更有用。相关论文发表于最近的《物理评论X》杂志。一旦量子计算机变得足够强大，它们可能会对加密、药物研发等特定任务有用，但是否能解决许多传统计算机无法处理的科学问题，目前仍是未知数。最新研究负责人赖安・巴布什及其同事开发出一种算法，可翻译大量传统物理问题，使其能在量子计算机上运行。而且，在量子计算机上模拟某一类重要的传统系统时，运算速度会得到指数级提升。