流行病的肆虐,使2020成为许多人眼中不想再回顾的一年。但就像事物或多或少都存在两面性,2020令人欣慰的一面在于,量子科学和技术领域所取得的进步与成就。

以下罗列分享了世界著名学术期刊《物理世界》评选出的——2020年量子高光时刻涵盖了量子基本原理和量子计算等各个子领域。

 

1. 最精确的温度计

2020年的量子高光时刻-量子客
图1|细微温度变化的测量可以帮助监测超导量子计算机(来源:Physics World)

温度计能有多精确呢?今年1月,芬兰阿尔托大学和瑞典隆德大学的研究人员们,通过建造一种能够检测样品电子温度基本波动的纳米装置,找到了这个问题的答案[2]。

他们的温度计中,噪音水平非常低,以至于可以检测到由于单个微波光子的发射而引起的能量变化,且检测过程不会受到任何干扰。

能够检测到如此细微的温度变化,代表着基础物理学的进步与发展。且这种“量子热量计(quantum calorimeter)”也可用于超导量子计算机中,量子系统(如量子比特)的非侵入式测量。

 

2. 混乱且炽热的纠缠

2020年的量子高光时刻-量子客
图2|纠缠的粒子(来源:ICFO)

量子纠缠是一种很微妙的现象,只有在超低温、超安静的环境中才能存续[3]。

但是在今年6月,西班牙光子科学研究所(ICFO)的物理学家们,使用了一种叫做量子非破坏性(QND)测量技术,证明他们的样品在450开尔文(176.85摄氏度)的高温环境下,5.32×1013个铷原子中至少有1.52×1013个是处于纠缠态的。

在任意两个纠缠的原子之间,还有15万亿的原子,其中许多原子与其他原子纠缠在一起,处于一个混乱且炽热的纠缠状态。

且研究人员们表示,即使原子之间的距离相隔很远,也会出现纠缠现象。此项发现除了打破了量子纠缠所需的条件之外,对于传感技术也很重要。

 

3. 首个量子相电池

2020年的量子高光时刻-量子客
图3|首个量子相电池(来源:Andrea Iorio)

随着量子电路变得越来越复杂,其中的元素也随之改变。今年6月,意大利比萨NEST-CNR纳米科学研究所和萨莱诺大学的物理学家们,共同展示了首个量子相位电池[4]。

这种电池可以在量子电路中,为电路中的超导体之间提供持久的相位差,类似于传统电池为电子电路提供持久的电压降的方式。

该电池由砷化铟(InAs)纳米线与铝(Al)超导引线接触构成,可用于量子计算电路。而实验基于的理论概念仅仅是在五年前由一位西班牙物理学家提出的,可见领域发展之迅速。

 

4. 测量量子隧穿时间

2020年的量子高光时刻-量子客
图4|用原子自旋来测量量子隧穿发生所需的时间(来源:iStock/agsandrew)

粒子需要多长时间才能穿过能量壁垒呢?这个问题在100年前似乎有些古怪,但在现在有了答案。今年7月,加拿大多伦多大学的物理学家们发现,超冷铷原子用了0.62毫秒的时间,穿过一个比其直径大1万倍的能量壁垒[5]。

即便研究人员认为其对隧穿时间的定义不是唯一可行的,但他们的实验依旧揭示了一种现象,即量子隧穿不是瞬时发生的,只是其发生的速度极快而已,这两者之间是有显著区别的。

尽管人们并不十分了解这一现象,但此现象的发现,是可以应用于扫描隧道显微镜和闪存等实用技术中的。

 

5. 光学电路的量子优势

2020年的量子高光时刻-量子客
图5|高斯玻色采样(来源:中国科大)

2019年9月,谷歌宣布利用Sycamore处理器解决问题的速度,比超级计算机Summit块10亿倍多,以此来宣称实现“量子霸权”[6]。

几周过后,IBM的专家们就对这一说法了一盆冷水,暗示谷歌的Sycamore处理器最多比Summit快1000倍而已。

2020年末,对“量子霸权”的追求再次成为世界各国的头条新闻。中国科大的研究者们宣布进行了“高斯玻色采样”的量子计算,其计算速度要比超级计算机快100万亿倍。

值得注意的是,研究人员们使用了光学元件而非超导元件,构建了他们的量子电路。100个输入和100个输出,包括300个分束器和75随机排列的镜子,其科研成果是科学与艺术的结合。

即便其系统存在是否可以扩大规模的问题,但这在光学技术中并不罕见。

今年即将过去,相信大部分人都不想再重温。但就像这五大量子进展一样,愿每个人在任何环境下,都能够开出希望之花。

 

参考链接:

[1]https://physicsworld.com/a/a-year-of-quantum-highlights/

[2]https://physicsworld.com/a/quantum-calorimeter-is-as-precise-as-nature-allows/

[3]https://physicsworld.com/a/entanglement-gets-hot-and-messy/

[4]https://physicsworld.com/a/physicists-create-quantum-phase-battery/

[5]https://physicsworld.com/a/quantum-tunnelling-time-is-measured-using-ultracold-atoms/

[6]https://physicsworld.com/a/quantum-advantage-demonstrated-using-gaussian-boson-sampling/

 

声明:此文出于传递高质量信息之目的,若来源标注错误或侵权,请作者持权属证明与我们联系,我们将及时更正、删除,所有图片的版权归属所引用组织机构,此处仅引用,原创文章转载需授权。

|编  辑:王嘉雯      |审  校:丁艳