前沿动态

5月4日，美国总统乔·拜登签署了两项“总统政令”，《关于加强国家量子计划咨询委员会的行政命令》、《关于促进美国在量子计算方面的领导地位同时减少对脆弱的密码系统的风险的国家安全备忘录》，旨在加快美国量子信息科学（QIS）发展，表明了拜登政府对这项关键的新兴技术的重视和承诺。拜登签署的第一项是《关于加强国家量子计划咨询委员会的行政命令》，根据2018年通过的国家量子倡议（NQI）法案，将成立“国家量子计划咨询委员会”——即联邦政府在量子信息科技方面的独立专家咨询机构。该委员会成员由来自业界、学界和政府的多达26名量子专家组成，直接置于白宫的领导之下，由总统直接任命。拜登还签署了《关于促进美国在量子计算方面的领导地位同时减少对脆弱的密码系统的风险的国家安全备忘录》。研究表明，当量子计算机达到一定规模和复杂程度时，将有能力破解目前保障互联网数字通信的大部分密码学。为了应对这一风险，美国国家标准与技术研究院（NIST）将发布新的后量子密码标准，以防止这些未来的攻击。同时必须从现在开始更新IT基础设施，以防止未来的这种量子计算威胁。这两项指令是在全球担忧和不确定的时刻发布的：乌克兰

哈佛大学和QuEra Computing、麻省理工学院、因斯布鲁克大学及其他机构的科学家合作，展示了中性原子量子处理器在解决实际应用问题方面的突破性应用。他们在哈佛的289 个量子比特的里德堡（Rydberg）原子阵列上，以模拟模式运行，展示了“最大独立集”问题的量子加速，其有效电路深度高达32。中性原子量子处理器此前已经被提出，并已有效地编码一些复杂的组合优化问题。而在这个工作中，作者不仅首次在此类量子处理器上部署实现了高效量子优化，还展示了前所未有的量子硬件能力。相关研究成果于5月5日发表在《科学》杂志上。组合优化在科学技术的许多领域都是普遍存在的。许多这样的问题已经被证明是计算困难的，并且构成了理解现代计算机科学中复杂类的基础。20多年来，人们一直在使用各种量子算法，从理论上探索如何使用量子机器来加速解决此类问题。通常，相关成本函数以量子哈密顿量编码，并且通过绝热演化或变分方法，通过闭合优化循环从通用初始态开始寻找其低能态。此类算法的计算性能已在具有浅量子电路的小型量子系统或缺乏多体相干特性的系统中进行了理论和实验研究。然而，这些研究对算法在涉及大尺寸系统和高电路深度时的

2022年4月26日，英国电信、东芝和咨询公司安永宣布，2021年10月由英国电信和东芝宣联合建设的商用量子安全城域试验网络正式启动，自4月初开始运行，并将运行长达三年的初始期。除此之外，英国电信集团预计其在量子通信方面的投资将在18个月内获得回报收入。英国电信表示，量子密钥分发是一项重要技术，在使用量子计算保护网络和数据免受新出现的网络攻击威胁方面发挥着重要作用。未来这一网络的客户可能包括英国政府和银行，并代表了建立量子安全通信国家网络的重要一步，这将刺激英国量子就绪经济的增长，是实现英国政府成为量子型经济体战略的关键一步。4月26日，德国著名光通信公司ADVA宣布，德国北部最大的电网运营商之一Schleswig-Holstein Netz已经成功完成了使用ADVA FSP 3000平台与ConnectGuard™第一层加密技术的量子安全数据传输的现场试验。这是德国第一次使用完整的商业解决方案，用基于量子密钥分发(QKD)的密钥交换对跨越架空光缆的数据进行加密。此次的概念验证(PoC)也是欧盟OPENQKD项目(目标是实现一个泛欧QKD网络，解决基于光纤和卫星通信基础设施的应

由佐治亚理工学院(GTRI) 领导的一个研究团队最近获得美国国防部高级研究计划局（DARPA）一个920 万美元项目第二阶段的资助。该项目旨在构建一种混合计算系统，将结合经典计算与量子计算的优势，以解决一些困难的优化问题。在接下来的两年里，该团队计划使用数百个由束缚离子制成的量子比特构建量子计算系统以应对这些优化问题挑战。该团队还包括来自佐治亚理工学院工业与系统工程学院、美国国家标准与技术研究院(NIST) 和橡树岭国家实验室的研究人员，他们已经使用10 量子比特离子链展示了该系统的一些要素。这项研究得到了美国国防部高级研究计划局（DARPA）的支持，作为其“使用含噪声中等规模量子器件解决优化”（Optimization with Noisy Intermediate-Scale Quantum Devices , ONISQ）项目的一部分。具体来说，GTRI领导的团队将使用量子近似优化算法（Quantum Approximate Optimization Algorithm, QAOA）解决一个称为Max-Cut的难题及其相关的优化问题（当一个图一分为二时，如何最大化切割

人们一直在寻找与半导体二极管相似的超导约瑟夫森二极管，理论家们为此提出了多种实现途径。近日，荷兰代尔夫特理工大学副教授Mazhar Ali 的研究小组取得了突破，利用二维量子材料构建超导约瑟夫森结，在没有磁场的情况下，观察到在正向电流下发生超导，同时在负向电流下具有电阻，证实了超导二极管效应。这一成果于4月27日发表在《自然》杂志上。1911年，荷兰物理学家Kamerlingh Onnes发现了超导现象，一直以来，科学家们对超导的本质感到困惑。在正常的电流传导中，电子作为单独的粒子运动。而在超导体中，电子成对的移动，且不会损失电能。在超导体中，电流不受任何电阻的通过导线，意味着控制这种电流很困难，而控制电子单向运行是现代电子设备所需的基本特性（例如二极管）。由于内部存在电偶极子，经典半导体中的导电可以是单向的。以PN结为例，将两个不同掺杂工艺的半导体拼接到一起（P型半导体含有较高浓度的“空穴”，带正电；N型半导体含电子浓度较高，带负电），二者的交界面称为PN结，会产生一个内置的电势差，使得电子在其中运动时产生单向性。而在没有磁场的情况下，超导体与金属的导电性更类似，没有内置电势

美国加利福尼亚大学（尔湾）（University of California, Irvine）的Wilson Ho教授研究组利用基于飞秒太赫兹（THz）泵浦-探测的扫描隧道显微镜（STM）技术，在原子级空间分辨与飞秒级时间分辨尺度上实现了氢分子（H2）量子相干性的精确测量。这一相干性的测量来源于H2在氮化铜（Cu2N）岛上不同吸附位点所构成的双能级系统，及其相干叠加态在THz电场作用下的高灵敏响应。相关研究成果于4月21日发表在《科学》杂志上。量子传感和量子计算已显示出优于经典过程的优势。与量子计算追求长退相干时间的不同，量子传感更追求量子系统对外部环境的高灵敏度。目前，金刚石氮空位(NV色心)、俘获离子和单电子晶体管已被用作量子传感器。但是在这些体系中，由于传感器的大尺寸或实验技术的局限性，难以实现原子尺度的空间分辨率。针对量子传感器在高空间与时间分辨尺度的精确测量，Wilson Ho教授研究组通过把THz脉冲耦合到STM针尖与衬底之间的纳腔，研究Cu2N岛上单个H2分子在双能级系统（TLS）之间的相干叠加。通过进行太赫兹整流光谱（TRS）和太赫兹泵浦探针测量，他们证明了

哈佛大学和威斯康星大学麦迪逊分校的两个研究团队分别展示了如何在中性原子体系构建多量子比特量子电路，这是在中性原子体系上实现实用、可扩展量子计算机的关键一步。两篇论文于4月20日发表在《自然》杂志上。中性原子平台以冷原子为基础，冷原子通过使用激光创建的单个陷阱保持在一个阵列中。这些原子可以被聚焦的激光束（光镊）操纵，从而将它们重新排列成所需的几何形状。原子之间的间距通常为微米，因此包含数百个原子的阵列宽度可能小于50微米，可以产生的陷阱数量仅受可用激光功率的限制。研究人员通常使用原子的高激发态（里德堡态）来执行逻辑门操作。当一个原子处于里德堡态时，它的一个电子被激发到一个高能级，并且在物理上远离带正电的原子核。这种分离产生了一个大的偶极矩，就像一个小的条形磁铁，它的作用是使两个里德堡原子相互作用非常强烈，这意味着可以快速执行门操作。然而，里德堡态的寿命非常短，通常为数百微秒，这使得以前的实验中相干时间仅限于几微秒。通过使用里德堡态作为在低能态之间创建纠缠的管道，两个小组都能够构建基于激光的门，可以执行快速门操作并实现较长的相干时间。特别是，哈佛大学的研究团队使用了核磁共振研究中开

4月13日，美国和瑞典签署了《量子信息科学技术（QIST）合作联合声明》。联合声明将使两国能够利用各自在QIST中的优势，建立全球市场和供应链、创建相互尊重和包容的科学研究社区，并培养未来一代的技能和潜在人才。瑞典在2018年成立了一个耗资10亿瑞典克朗（1.05亿美元）的研究中心——瓦伦堡量子技术中心（WACQT），横跨多所大学，如今已经在量子计算、仿真、通信和传感领域实现创造了尖端专业知识。至此，美国已与英国、澳大利亚、芬兰、瑞典签署了关于量子信息科技合作的联合声明。https://www.state.gov/joint-statement-of-the-united-states-of-america-and-sweden-on-cooperation-in-quantum-information-science-and-technology/

2022年4月15日，华盛顿特区.C -国会女议员Elise Stefanik宣布提供2500万美元，用于扩大罗马空军研究实验室的研究，以制造和测试光子量子计算技术。“我很自豪能够提供2500万美元来支持纽约州北部的量子计算工作，”Stefanik说。“在我的倡导下，这些纳税人的钱将返回纽约州北部，以支持罗马空军研究实验室的光子量子计算研究。量子计算对21世纪的经济和国家安全至关重要，而纽约州北部正在引领我们国家在这一领域努力的中心。在国会任职期间，我不知疲倦地工作，为罗马的空军研究实验室带来了数千万美元，以确保纽约州北部的新兴技术环境得到充足的资金和支持。我期待着继续这项重要工作，并在未来几年为这些努力提供额外资金。”Stefanik致函支持将这笔资金纳入最终的国防拨款法案，该法案已在2022财年的支出计划中得到保障。在国会任职期间，Stefanik通过《国防授权法》和年度拨款为罗马实验室获得了数千万美元的资金。https://stefanik.house.gov/2022/4/stefanik-delivers-25-million-to-develop-the-nex

日本计划在2023年3月底，将其第一台国产量子计算机投入使用，并在2030年前让1000万人使用该技术，该目标已被纳入新的《国家量子技术战略草案》。战略草案显示，日本政府认为私营部门广泛采用该技术是跟上激烈的全球技术主导地位竞争的关键，量子计算机的处理信息的能力超过了超级计算机，被用于各种应用，诸如如药物开发、新材料、人工智能和下一代通信，将成为未来跨境霸权竞争的核心。日本希望在提高经济安全的同时，增强其在国际舞台上的竞争优势。日本政府将该战略草案定位为“新资本主义”的标志性增长战略的支柱，将于4月在“综合创新战略推进委员会会议”上最终确定。为了探索工业应用，政府将增加两个新的研究地点，总数达到10个。新添加的力资源开发中心将设在日本东北大学，以培训人员并支持研究和开发；另一个位于冲绳科技大学研究生院（OIST），将作为全球科学家推进联合研究的一个中心。同时，国立工业科学技术研究所（AIST）和国家量子科学技术研究所（QST）开设支援基地。为促进企业的广泛使用，培训精通使用量子计算的工人，该战略草案设想通过一个国有基金支持量子技术初创企业。但政府主导的努力有其局限性，为了促