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《自然》杂志1月19日连发三篇论文，来自三个团队的科学家们在开发容错量子计算机方面取得重要突破。他们验证了硅双量子比特门保真度，超越了容错计算机的阈值（99%）。研究结果证实，硅材料中强大、可靠的量子计算正在成为现实。研究还表明，硅量子计算机与超导和离子阱一样，是实现大规模量子计算机研发的有前途的候选者。澳大利亚新南威尔士大学研究团队[1]在两个磷原子核自旋之间创建了双量子比特通用量子逻辑运算，通过行业标准的离子注入方法将其引入硅中。他们使用一种被称为“量子门集层析成像（GST）”的方法，对其量子处理器的性能进行了验证，实现了高达99.95%的单量子比特保真度和99.37%的双量子比特保真度。此外，根据研究结果，电子自旋本身就是一个量子比特，可和两个原子核纠缠在一起，形成一个三量子比特的量子纠缠态，这一保真度达到了92.5%。这为大型硅基量子处理器在现实世界中的制造和应用铺平了道路。荷兰代尔夫特理工大学研究团队[2]使用由硅和硅锗合金堆栈形成的材料创造了一个双量子比特系统，其中量子信息被编码在限制于量子点的电子自旋中，最终实现99.87%的单量子比特保真度和99.65%的双

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量子密钥分发的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王双、银振强、何德勇、陈巍等实现了830公里光纤信道量子密钥分发，将安全传输距离的世界纪录提升了200余公里，向实现千公里陆基量子保密通信迈出了重要的一步。相关研究成果于1月17日在线发表在国际知名学术期刊《NaturePhotonics》上。量子密钥分发基于量子物理的原理，在信息论安全的层面上提供了窃听可感知的密钥分发手段。光量子是量子信息的天然载体，但是线路中不可避免的损耗限制了量子密钥分发的安全距离，也是制约广域量子保密通信网络部署和应用的关键因素之一。因此，如何延长光量子密钥分发直接传输的安全距离，成为了当前极具挑战的难点和焦点之一。2018年提出的双场协议突破了原有的理论极限，但其理论的完善和实验技术的开拓极具挑战性。郭光灿、韩正甫研究组在2019年首先提出了免相位后选择的双场类协议（Physical Review Applied, 11, 034053(2019)），并首次在300公里光纤信道中验证了此类协议的可行性（Physical Revi

中国科大郭光灿院士团队在量子门的测量检验研究中取得重要进展。该团队李传锋、项国勇研究组与复旦大学朱黄俊和北京理工大学尚江伟合作，首次在实验上实现了基于局域操作的最优量子门检验。该研究成果于2022年1月14日在线发表在国际知名期刊《物理评论快报》上，并入选“编辑推荐”文章。量子门是构建量子计算机的基本单元，实现高保真度的量子门操作是容错量子计算的必要条件。如何检验实际制备的量子门保真度是否达到要求是实现容错量子计算首先要解决的问题。由于量子门中参数个数随着量子系统大小指数增加，传统量子过程层析方案随量子门的规模增大测量次数和计算量都呈指数增长。对于未来大规模的量子门和量子线路的质量表征，传统采用的量子过程层析方法已经不具备实际可操作性。国际上近期发展的新理论方法——量子门检验为解决上述问题带来了曙光，它对于大多数量子门都能达到最优的样本复杂度，并且只用到局域操作。但是这种方法在实际应用时存在困难，它对实验误差和量子门瑕疵并不鲁棒。项国勇小组与合作者把量子门检验的思想与近年来该小组系统发展的多参数量子精密测量平台[Nat. Commun.9,1(2018); PRL 124,

Topological Phases with Ultracold Atoms in Optical Raman Lattices

在爱因斯坦的广义相对论中，引力是时空曲率的一种表现形式。其中一个被广义相对论所预测的现象是相对论的时间膨胀，即当时钟被放在引力场的不同位置、或以不同速度移动时，这个时钟将以不同的速率滴答作响。这一现象已被大量的实验所证实。在适当的条件下，时间膨胀可以影响量子波的相位，这可以通过干涉实验测量。斯坦福大学的Overstreet等人在原子喷泉实验中观测到了这一现象，相应的工作于1月13日发表在《科学》杂志上。在该研究中，他们利用高灵敏度原子干涉仪来测量原子波包之间的相位移动，从而达到测量时间膨胀的目的。实验中所搭建的单源梯度仪，在每次发射原子时，其重力梯度分辨率可以达到5×10-10/s2（差分加速分辨率为1.1×10-11g1.1×10-11g，在70次发射后可达1.4×10-12g），为地基重力梯度仪设定了新的标准。该结果是首次观察到重力相移，该相移本质上与测试粒子的质量成正比。在量子力学中，微观粒子可以表现为波，每个粒子都可以看作一个“波包”。作用在波包上的力可以改变这个波包的传播，这与经典力学中改变粒子的轨迹是一样的。然而，势能的均匀变化可以在不影响其轨迹的情况下改变波包

中国科大郭光灿院士团队在硅基半导体自旋量子比特操控研究中取得重要进展。该团队郭国平教授、李海欧研究员与中科院物理所张建军研究员等人，和美国、澳大利亚的研究人员及本源量子计算公司合作，实现了硅基自旋量子比特的超快操控，其自旋翻转速率超过540MHz，是目前国际上已报道的最高值。研究成果以“Ultrafast coherent control of a hole spin qubit in a germanium quantum dot”为题，于1月11日在线发表在国际知名期刊《自然⋅通讯》上。硅基半导体自旋量子比特以其长量子退相干时间和高操控保真度，以及其与现代半导体工艺技术兼容的高可扩展性，成为量子计算研究的核心方向之一。高操控保真度要求比特在拥有较长的量子退相干时间的同时具备更快的操控速率。传统方案利用电子自旋共振方式实现自旋比特翻转，这种方式的比特操控速率较慢。研究人员发现，利用电偶极自旋共振可以实现更快速率的自旋比特操控。电偶极自旋共振的一种方案是通过嵌入器件中的微磁体结构所产生的“人造自旋轨道耦合”来实现，但这会使自旋量子比特感受到更强的电荷噪声，从而降低自旋量子比特的

中国科大郭光灿院士团队在冷原子超分辨成像研究中取得重要进展。该团队李传锋、黄运锋、崔金明等人在离子阱系统中实现了单个离子的超分辨成像，该成果12月23日发表在国际知名期刊《物理评论快报》上。冷原子系统，包括离子阱中囚禁的离子和光场中囚禁的原子等，是研究量子物理的理想实验平台，也是进行量子模拟、量子计算和量子精密测量实验研究的重要物理系统。冷原子系统中的核心实验技术之一是高分辨单粒子成像。近十年来，冷原子系统的显微成像技术飞速发展，涌现出了量子气体显微镜、光镊原子阵列、

强相互作用里德堡原子中的自感应透明效应研究

Non-Hermitian nonlinear optics in atomic systems

美国科学家在最新一期《自然·光子学》杂志撰文指出，他们开发出世界上第一台光学示波器——一种能够测量光电场的仪器。该设备能将光振荡转换为电信号，就像医院监视器将患者的心跳转换为电振荡一样。这款先进的新设备有望提升光纤通信的效率。迄今为止，由于光波会高速振荡，读取光的电场一直是科学家们面临的一大挑战。现有最先进的技术可以测量覆盖电磁频谱无线射频和微波波段的高达千兆赫兹频率的电场。由于光波能以更高的速率振荡，所以可以传输更高密度的信息。然而，目前用于测量光场的工具只能解