前沿动态

3月27日，加拿大国防部和武装部队（DND / CAF）发布量子科技战略实施计划《Quantum 2030》，该计划是项七年行动计划，旨在确保DND / CAF为开发量子技术在国防和安全方面的颠覆性潜力做好准备。该计划认为，量子技术的潜在军事应用包括：全球定位系统（GPS）无法正常运行时的定位、导航和计时，用于检测化学、生物、放射性和核威胁的传感器，安全通信和密码破译，以及先进材料和医学研究等。对这些量子技术的研究和开发将确保DND / CAF成为量子技术的早期应用者，并保持与盟友合作，持续领先于潜在对手。该战略计划包括了DND/CAF的五项行动呼吁：1.明确在DND / CAF中的量子技术使用者；2.培训工作人员有关量子技术的基本理解与科学素养；3.协调DND/CAF对量子技术领域的投资；4.通过创新计划获得最先进的技术；5.鼓励支持工业界和学术界积极参与。《Quantum 2030》确定了四种有前景的量子技术：量子增强雷达、量子增强型光探测和测距（LiDAR）、用于国防和安全的量子算法、量子网络，并针对这四种量子技术制定了一项包括人才培养、科学开发、

3月9日和13日，由瑞士和中国分别完成的高速量子通信成果先后在线发表在《自然·光子学》（Nature Photonics）杂志上[1, 2]。两项工作的共同特点是都利用了高速的多像素超导条带光子探测器（学术界通常称其为超导纳米线单光子探测器，SNSPD）。而在此前的1月26日，美国喷气推进实验室（JPL）报道了高精度高计数率的多像素新型超导纳米线单光子探测器，发表在《光学》（Optica）杂志上[3]。这些进展表明，超导单光子探测器正在为高速量子通信带来新的突破。瑞士日内瓦大学Hugo Zbinden团队与ID Quantique公司合作，将14根超导纳米线并行，形成光敏面约15微米的SNSPD，该探测器速度比单线条SNSPD计数率快了20倍。利用该高速SNSPD，团队在10公里的光纤上实现了64Mbps（bits per second，每秒比特率）的实时量子密钥成码率。中国科学技术大学潘建伟、徐飞虎等与上海微系统所尤立星等合作，利用8根并行纳米线形成的光敏面约15微米的SNSPD，实现了每秒输入5.5亿个光子的情况下仍能保持62%的探测效率。在此基础上，研究团队在10公里的光

近日，在俞大鹏院士的带领下，依托南方科技大学建设的深圳十大基础研究机构-深圳量子科学与工程研究院、深圳国际量子研究院助理研究员徐源等联合福州大学郑仕标教授、清华大学孙麓岩教授等团队，在基于超导量子线路系统的量子纠错领域取得突破性实验进展。联合研究团队通过实时重复的量子纠错技术延长了量子信息的存储时间，在国际上首次超越盈亏平衡点，展示了量子纠错优势。这一里程碑式的突破代表了迈向实用化可扩展通用量子计算的关键一步，相关研究成果以“Beating the break-even point with a discrete-variable-encoded logical qubit”为题于3月23日在线发表在《自然》杂志上 [Nature (2023)]。虽然基于超导量子线路系统的量子信息处理领域研究近些年发展迅猛，但由于量子计算机体系的错误率远高于经典数字计算机，想要构建具有实用价值的通用量子计算机，量子纠错依然不可或缺，因为量子纠错可以有效地保护量子信息避免受到环境中噪声的干扰。传统的量子纠错方案编码一个逻辑量子比特需要多个冗余的物理比特，不但需要巨大的硬件资源的开销，发生错误的通

超导处理器中的量子信息存储为低能量微波光子，但如果要在长距离上传输这些信息以构建量子信息处理网络，则需要将低能量光子转换为更高能量的可以在光纤中传输的光子。美国芝加哥大学与斯坦福大学组成的联合研究团队在低温（5K）环境下，将85Rb冷原子系综同时与三维超导谐振器和振动抑制光腔耦合，展示了利用激光冷却的铷原子实现低能量和高能量光子之间的转换。该转换器若与超导量子比特相结合，将构成一个完整的量子网络平台。该成果于3月22日发表在《自然》杂志上。量子比特（Qubits）是量子信息的基本单位。它们被编码在物理系统中，如光子、原子和离子的量子态。在超导量子计算平台中，量子比特经常被编码在具有低能量、厘米级波长的微波光子上。尽管这些量子比特可被局域地操纵，但在室温下难以进行远距离信息传输。这是由于，室温环境的热辐射中存在着丰富的低能量光子，导致携带量子信息的光子无法与热背景噪声光子区分出来。而波长在可见光和近红外范围内的光子则没有这样的问题，因为它们具有更高的能量，可在光纤中携带信息进行长距离传输，且信息损耗最低。在低能量和高能量的光子之间转换量子信息便是建立量子计算网络的关键。利用缀

近期，来自德国汉堡大学的科学家成功地对光晶格中高布洛赫能带超冷Feshbach分子的奇异二聚体进行了成像，有望为新形式超流的研究提供帮助。该成果于3月20日发表在《自然·物理学》杂志上。玻色-爱因斯坦凝聚（BEC）与巴丁-库珀-施里弗（BCS）超流是成对费米子系统基态的两个极限。量子气体系统为这两个极限之间的过渡行为（BEC-BCS交叉）提供了一个独特的实验平台。迄今为止，对这一过渡行为的研究往往集中在基于近谐波的光学势阱系统，而对光晶格中的BEC-BCS交叉行为的研究不仅稀少，而且往往受限于仅涉及局部s轨道的最低布洛赫带。来自汉堡大学的Yann Kiefer、Max Hachmann和Andreas Hemmeri在光晶格的第二个布洛赫带中制备出了基于费米子原子的超冷Feshbach分子。Feshbach分子是处于解离极限以下的最后束缚态中的原子对。借助于Feshbach共振，它们可以通过快速绝热地改变散射长度来形成。为了区分Feshbach分子和光学晶格第二布洛赫带中的未配对原子，三位学者使用了一种与质谱技术类似的简单成像方法，能够精确地测量Feshbach分子的寿命和

由澳大利亚悉尼大学和瑞士巴塞尔大学联合主导的研究团队首次演示了对具有高度关联性的少量相互作用光子态的操纵和识别。该成果于3月20日发表在《自然·物理学》杂志上。一个多世纪前，通过观察光与物质的相互作用，科学家们发现光不是一束粒子，也不是能量波，而是同时表现出这两种特性，被称为波粒二象性。由于其强大的实际应用，科学家们一直致力于研究光与物质相互作用的方式。另一方面，爱因斯坦于1916年提出受激辐射理论，为激光的发明奠定了基础，使人们对光的研究进入新的阶段。当今社会许许多多现代技术均依赖于对光的操控，尤其是通信方面，因为光子之间不易相互影响，这为近乎无失真的光速信息传输提供了可能。然而，人们有时还是希望光能够相互作用，比如光学干涉仪可用来测量距离的微小变化，这些测量工具现在很常见，无论是在先进的医学成像中，还是食品质量检验，或者引力波的探测，但量子力学定律在测量的灵敏度和测量设备中的平均光子数量之间设定了一系列限制。悉尼大学和巴塞尔大学的联合研究团队恰好利用了光学非线性过程实现了光子之间的相互作用。为此，他们选择了一个与光学谐振腔耦合的半导体量子点，即人造原子作为实验系统。关于

3月14日，英国科学、技术与创新部发布《国家量子战略》（National Quantum Strategy），将量子技术确定为未来十年保障英国繁荣和安全的重中之重，并为英国国家量子科技计划（National Quantum Technologies Programme ，NQTP）提供了十年愿景和扩展行动计划。该行动计划分为两个五年阶段进行，将在2024年至2034年提供25亿英镑的政府投资，并吸引至少10亿英镑的额外私人投资。该行动计划将促进量子技术领域多方面发展，包括支持建立研究中心、量子网络加速器计划、培训和人才计划、合作研发项目以及基础设施投资等。新成立的科学、创新与技术部（DSIT）部长Michelle Donelan MP表示：“2023年，英国政府成立了科学、创新与技术部（DSIT），旨在推动实现英国成为世界上最具创新性的经济体和科技超级大国的使命。2014年，英国实施了世界上首个国家量子技术计划，高度协作的量子经济体反映了十年前的远见卓识。目前，英国在量子技术方面拥有（部分）世界领先的优势，新的十年计划将进一步资助量子前沿研究，支持发展不断扩大的量子部门，为更广

3月17日，美国国家航空航天局（NASA）宣布创建两个新的空间技术研究所，以开发工程和气候关键研究领域的技术，其中的Quantum Pathways Institute（QPI）将专注于支持气候相关研究的量子传感技术。每个研究所将在五年内获得1500万美元的资助。QPI由德克萨斯大学奥斯汀分校管理，该研究所将聚焦太空飞行任务，致力于开发满足下一代科学需求的高精度量子传感器。该研究所的合作伙伴包括科罗拉多大学博尔德分校、加州大学圣巴巴拉分校、加州理工学院，以及美国国家标准与技术研究院NIST。参考资料：https://www.nasa.gov/press-release/nasa-awards-advance-3d-printing-quantum-tech-for-climate-research

3月6日，英国首相兼技术大臣公布英国新的政府计划“科学超级大国蓝图”，目标是推动英国在2030年成为科技超级大国。新蓝图是英国新成立的科学、创新和技术部的第一项主要工作，包括了十项关键行动和八项一揽子计划，政府将耗资超3.7亿英镑支持这些措施，推动从量子科技、超级计算到人工智能技术等的基础设施、投资和人才的发展。新计划的十个关键行动：1.识别、追求和实现对实现英国目标最关键的技术的战略优势。2.在国内外展示英国的科技实力和雄心，以吸引人才、投资并提升英国的全球影响力3.促进私人和公共对研发的投资，以促进经济增长和提高生产力4.建立在英国已经令人羡慕的人才和技能基础之上5.为创新科技初创企业和公司提供融资6.利用英国政府的购买力，通过公共部门采购促进创新和增长7.通过战略性国际参与、外交和伙伴关系塑造全球科技格局8.确保研究人员能够获得用于研发的最佳物理和数字基础设施，从而吸引人才、投资和发现9.利用脱欧后的自由制定世界领先的支持创新的法规并影响全球技术标准10.在整个英国公共部门营造一种支持创新的文化，以改善公共服务的运行方式，以推动科学和技

奥地利因斯布鲁克大学研究团队利用离子阱囚禁冷却氘,首次在实验中观察到了化学反应中的量子力学隧穿效应。该成果可作为分子理论的一个基准，推进对基本碰撞过程的理解。该成果于3月1日发表在《自然》杂志上。量子隧穿效应至关重要，尤其对于那些经典物理学中被能量禁止的过程。然而，隧穿效应又是很难预测的。由于量子动力学的高维特征，这种效应在理论上的计算非常困难，在实验中也很难被发现。目前，可以在忽略量子效应的前提下用经典理论来模拟这些反应，但这种经典描述只能提供近似值，很难确定其极限在哪里。因斯布鲁克大学离子物理和应用物理系的Roland Wester长期以来一直想探索这一前沿领域。他表示：“这个实验需要非常精确的测量，且仍可以用量子力学描述。”15年前Wester在美国的一次会议上与一位同事通过谈话产生了该实验的想法，他想在一个非常简单的反应中追踪量子力学隧穿效应。Wester的团队选择了氢，即宇宙中最简单的元素作为他们的实验对象。他们将氘­——一种氢的同位素——引入到一个离子阱中将其冷却，然后再用氢气填充该阱。由于温度非常低，带负电荷的氘离子缺乏以常规方式与氢分子反应的能量。然而，在非