研究进展

北京大学物理学院量子材料科学中心、北京大学轻元素先进材料研究中心江颖教授团队和香港科技大学杨森副教授、德国斯图加特大学Jörg Wrachtrup教授等合作，基于自主研发的qPlus型扫描探针显微镜系统，发展出可控操纵金刚石近表面电子自旋库的新技术，大幅提升了浅层固态量子比特的相干性（相干时间T2最高可延长20倍），有望突破量子传感领域的应用瓶颈。该成果于8月25日发表在《自然·物理学》杂志上。量子比特是量子计算、量子信息和量子传感等前沿量子科技的基石。量子相干性是量子比特的一个核心参数，表明量子比特维持其量子特性的能力，并直接决定了量子比特的工作性能。发展有效抑制量子比特退相干的方法对量子科技的应用至关重要。金刚石中的氮-空位色心（NV center）是最具代表性的固态量子比特之一，在室温大气环境下的相干时间可达到毫秒量级，因此其作为量子传感器的探测灵敏度极高，理论上可探测单个质子自旋产生的磁场。为了提高量子传感的信噪比和空间分辨，一般需要让NV尽量靠近金刚石表面。然而，受限于浅层NV的制备工艺，生长过程中金刚石近表面易产生大量顺磁缺陷，引起浅层NV的显著退相干，并大幅降低其探测灵敏

中国科学技术大学中科院微观磁共振重点实验室杜江峰院士团队与南京大学组成的联合研究组在暗能量探测领域取得重大进展，利用抗磁悬浮力学系统在实验室环境中对一种重要的暗能量理论——变色龙理论进行了实验检验，未发现该理论预言的“第五种力”，从而排除了其作为暗能量的可能。这是所有暗能量理论中的首个确定性的实验检验。相关研究成果以“Experiments with levitated force sensor challenge theories of dark energy”为题，于8月25日线上发表于国际学术期刊《Nature Physics》。Science杂志发布的125个最具挑战性的科学问题中，“宇宙由什么构成”排在第一个。宇宙学和天文学的一些观测事实表明，我们的宇宙正处于加速膨胀中，而暗能量被认为是驱动膨胀的原因。但是，对于暗能量的本质是什么，以何种方式与我们的世界发生作用，目前仍然未知。为探索神秘的暗能量场，国际上布局了多种实验研究计划，传统的手段主要是借助天文观测或大型物理装置，如太空望远镜、地下实验室以及大型高能粒子加速器等。中科院微观磁共振重点实验室于近年来创新发展了基于固态自旋

马克斯普朗克量子光学研究所（MPQ）的研究人员首次用单个原子在光学谐振腔中产生了多达14个纠缠光子，这些光子可以有针对性且非常有效地制备成特定的量子态。这种新方法可以促进构建光量子计算机，并为未来的数据安全传输服务。该研究成果于8月24日发表在《自然》杂志上。量子世界的现象，从日常世界的角度来看，往往很奇怪。例如纠缠：粒子之间的量子关联，以一种奇怪的方式在任意长的距离上产生联系。要构建量子计算机，必须有大量的纠缠粒子协同工作，它们是计算的基本单元，即所谓的量子比特。“光子特别适合做量子比特，因为它们很稳定并且易于操作，”MPQ的博士生Philip Thomas说。现在，他与Gerhard Rempe教授领导的研究小组一起，成功地朝着使光子可用于量子计算等技术应用迈出了重要一步：该团队首次以可控方式高效生成14个纠缠光子。此前，光子纠缠数目的记录是中国科大潘建伟团队于2018年实现的12个光子纠缠，同年该团队利用六个光子的三个不同自由度实现了18个量子比特纠缠，至今仍是光量子比特纠缠的世界纪录。“这个实验的诀窍是使用单个原子发射光子并以非常明确的方式将它们纠缠在一起，”Thomas说。为

日本理化研究所（RIKEN）的研究团队首次在硅量子点器件中使用基于电子自旋的量子比特实现了三量子比特门和基本的量子纠错。该成果于8月24日发表在《自然》杂志上[1]。量子计算机可以通过同时编码多条信息来执行传统计算机难以进行的高速计算。基于各种物理系统的量子计算机正在研究中，其中，使用硅量子点器件的硅量子计算机与半导体行业现有的集成技术兼容，前景乐观。由于量子态的脆弱性，量子计算容易出错，纠错技术是实际量子计算所必需的。最基本的量子纠错演示需要至少三个量子比特。然而，由于三个或更多量子比特的同时控制和测量等技术问题，在硅量子计算机中实现量子纠错一直很困难。量子点结构是通过精密加工在硅/硅锗半导体衬底上制造的，通过控制施加在栅电极上的电压，可以形成具有高自由度的量子点并控制它们的电子自旋态。该团队之前的研究已经实现了2个量子比特的量子门[2]，而在这项研究中，他们实现了一个Toffoli门，它是一个3量子比特门。Toffoli门是一种只有在两个辅助量子比特都处于“0”状态时才翻转目标量子比特（数据量子比特）状态的操作，可以校正量子比特态。然后，他们使用这个Toffoli门来实现一个3量子

8月25日，波士顿咨询集团（BCG）发布研究报告《欧洲能否在量子计算方面赶上美国（和中国）？》，介绍了全球量子计算发展的规模和步伐。预计量子计算在未来15到30年内，将创造450-8500亿美元的价值。BCG报告指出，美国在量子计算专利、风险投资和人才数量方面明显领先，中国紧随其后；欧盟目前在公共投资方面处于领先地位。欧盟缺乏一个协调各个成员国活动的连贯行动计划，且私人资本市场不发达，无法对后期的量子企业进行投资。报告强调，美国在商界拥有的量子人才是欧盟的2-3倍，欧盟没有培养足够的量子计算人才满足预期需求。BCG的报告还给出了欧洲维护量子主权行动的建议：首先，制定一个与成员国计划和战略相一致的欧盟范围内的综合行动计划；其次，缩小欧洲投资缺口，特别是后期资金，以使欧洲初创企业能够迅速扩大规模；最后，构建从高中到研究生的端到端人才管道，使得有足够的人才来满足激增的业务需求。参考资料：https://web-assets.bcg.com/36/c4/1a807b3648d5a9eac68105641bfd/can-europe-catch-up-with-the-us-and-china-

8月23日，富士通宣布将与日本理化学研究所（RIKEN）于2023年共同合作开发量子计算机的商业生产。富士通将成为日本第一家生产量子计算机的公司。早在2021年4月，富士通和RIKEN就在埼玉县合作建立了一个研究基地，约20名科学家研究如何将量子计算机用于天气预报、新材料、医学以及其他领域。富士通的商业量子计算机预计能够提供64个量子比特。富士通的最终目标是在2027年3月之后，发布一台拥有1000+量子比特的计算机。参考资料：https://asia.nikkei.com/Business/Technology/Fujitsu-Riken-to-offer-1st-Japan-made-quantum-computer

中国科学技术大学卢征天教授团队利用激光冷原子方法对镱-171原子（Yb-171）的固有电偶极矩进行了首次测量，获得了该电偶极矩小于1.5 x 10-26e cm的上限结果，并对镱-171原子核的席夫极矩设定了上限。相关成果以“Measurement of the Electric Dipole Moment of171Yb Atoms in an Optical Dipole Trap”为题于8月19日发表在《物理评论快报》 [Phys. Rev. Lett. 129, 083001, (2022)]上。EDM违反时间反演对称性原子与原子核当中普遍存在自旋现象，旋转原子中的电荷流动形成一个线圈，从而产生原子的固有磁偶极矩，这是我们熟悉的原子内禀属性。然而，原子内部的正负电荷是否会沿自旋方向有所分离而产生固有电偶极矩呢？自从上世纪50年代李政道、杨振宁提出宇称不守恒的设想，人们便开始寻找粒子、原子核及原子的固有电偶极矩。这种物理现象既破坏空间反演对称性（即“宇称”），又破坏时间反演对称性，并与CP破坏、物质-反物质不对称等基础物理问题紧密相关。粒子物理理论推测电偶极矩研究是通向标

量子科学有望实现一系列技术突破，例如可以帮助发现新药物的量子计算机或用于导航的量子传感器。然而，其有限的存储时间或“相干”时间（经常只有毫秒左右）使得这些量子系统在实际使用时存在挑战。JILA研究员Adam Kaufman和他的研究团队专注于提升锶原子“基态”与“钟态”（构成原子钟的一对能级）之间叠加态的相干时间，演示了钟态原子之间的纠缠与秒级相干时间，该成果于8月8日发表在《自然•物理学》杂志上[1]；另一个实验实现了二维光晶格中的大规模量子行走，该成果于8月18日发表在《科学》杂志上[2]。在《自然·物理学》上发表的论文中，该团队实现了两项重大突破：在钟态跃迁之间创建纠缠，并演示如何将纠缠保持长达4秒。“这些纠缠态被称为贝尔态，对量子增强型原子钟很有用，”Kaufman说。这里指的是两个原子形成的特定量子态，其中两个原子同时处于基态或者钟态。Kaufman接着说道，“但为了提高时钟性能，贝尔态需要在大时间尺度上持续保存，最好能持续几秒甚至几分钟。”让纠缠态保持如此长的时间是一个挑战，因为任何小的环境噪声都可能破坏量子态，这是量子比特如此脆弱的原因之一。研究人员使用了一个光镊阵列，即

中国科大郭光灿院士领导的中国科学院量子信息重点实验室在高安全量子密钥分发的实用化研究方面取得重要进展。该实验室的韩正甫教授及其合作者银振强、王双、陈巍等提出了兼具高稳定性和高安全性的误差容忍测量设备无关量子密钥分发协议，并从安全性分析和实验验证两方面证实了该协议对源端非理想特性具有极强的容忍能力，有力地推动了新一代量子密钥分发技术的实用化进程。相关研究成果于8月3日在线发表在国际学术知名期刊《Optica》上[Optica9,886-893 (2022)]。信息安全是当今时代的重要主题，量子密钥分发技术以量子物理原理为基础，可实现理论上无条件安全的密钥分发。然而，这种理论安全性需要两个重要的假设，即用户拥有符合理论模型描述的理想设备，以及窃听者不能侵入系统的探测端和源端。测量设备无关量子密钥分发可以免疫所有针对探测端的潜在攻击行为，是新一代量子密钥分发技术的典型协议。然而，其依然保留了对源端的诸多安全性假设，例如量子态调制中的误差和噪声就会违背这些安全性假设，不仅会显著降低量子密钥分发系统的性能，还会给潜在窃听者带去可趁之机。在复杂的实际环境中，用户不得不耗费大量的资源以监控和

中国科学技术大学中科院微观磁共振重点实验室杜江峰、石发展、孔飞等人在微波磁场测量领域取得重要进展，基于金刚石氮-空位（Nitrogen-Vacancy, NV）色心量子传感器实现了皮特斯拉水平的高灵敏微波磁场测量。该项研究成果以“Picotesla magnetometry of microwave fields with diamond sensors”为题发表在《Science Advances》[Sci. Adv. 8, eabq8158 (2022)]上。微波在人类生活和科学研究中无处不在。日常生活中，移动通信所使用的电磁波便属于微波范畴，发展微波测量技术对无线通讯的发展有重要价值；科学研究中，实现对高频微波的高灵敏测量能够为高场高频磁共振谱学、太赫兹成像、甚至天文学观测提供基础支撑。利用从原理上革新的量子传感技术能够大大提升微波的测量灵敏度，在过去的十几年中得到了广泛的研究和发展。目前，常见的量子传感器包括里德堡原子、原子磁力计、超导量子干涉仪、金刚石NV色心等。其中NV色心体系因独特的载体稳定性和室温大气环境兼容性，成为极具发展前景的固态量子传感器，提升探测灵敏度是