2021年，量子科技的发展，带给世界许多惊喜。2022年，还有哪些领域期待会有更多惊喜出现？Physics World对去年的全球量子科技重大进展进行了盘点，并提出了对今年新进展的期待。

量子安全视频会议

2021年4月1日，《物理世界》借着愚人节发表了一个关于在量子计算机上运行Zoom视频会议的虚构玩笑故事。没想到几个月后，这个故事竟部分变成了现实。英国和德国的研究人员利用量子纠缠，实现了在网络中多个用户之间安全地分配密钥，这一成果可能为量子安全的Zoom通话铺平道路。

在177个小时的实验中，赫瑞瓦特大学和杜塞尔多夫海因里希-海涅大学的物理学家们产生了一个包含超过一百万比特的安全密钥，并利用它在网络中的四个用户之间安全地共享了一个图像。该图像包含一只猫——就是刘易斯·卡罗尔的《爱丽丝梦游奇境》中的那只柴郡猫。

对化学进行量子测试

尽管量子计算吸引了大量的商业关注，但在量子科技界仍有一个广泛共识，即量子模拟——使用简单的量子系统来研究化学、凝聚态物理和材料科学中的复杂现象，将为基础科学研究带来“量子优势”。

美国哈佛大学倪康坤的工作就是对这种“量子优势”的一次尝试。2021年5月，倪康坤和他的哈佛同事报告说，他们已经将钾和铷的分子冷却到极其接近绝对零度，从而将分子之间可能发生化学反应的数量从无限多减少到57个。在一系列实验中，他们对这57种反应中的每一种都进行了追踪，并测算了发生概率。虽然其中50个都符合理论预测，但仍有7个不符合——这一引人入胜的结果，预示着量子化学的新可能性。

量子纠缠揭示生物结构

受激拉曼散射（SRS）被广泛用于分子尺度上的生物组织成像。2021年6月，澳大利亚和德国的研究人员对SRS进行了量子升级，用“压缩振幅”量子态的纠缠光子取代普通光子，大大降低了其成像系统的噪音。

这种新方法使科研人员能够观察到以其他方式无法测得的生物结构。研究人员还在比之前低14%的浓度溶液中检测到了分子样本。而这是在不需要提高他们的成像激光器的光功率的前提下达到的，提高光功率将会破坏脆弱的生物结构。

▲澳大利亚昆士兰大学的研究人员在展示他们的新量子显微镜。(来源：昆士兰大学官网)

量子优越性愈加显著

2020年底，由中国科学技术大学潘建伟和陆朝阳领导的研究团队，构建了76个光子的量子计算原型机“九章”，实现了具有实用前景的“高斯玻色取样”任务的快速求解，其速度比当时最快的超级计算机快一百万亿倍。

2021年10月，该小组再接再厉，又将计算速度提高了一百亿倍。新的结果表明，“九章”升级版能以比经典计算机快亿亿亿倍的速度执行相同的采样任务。同月，由潘建伟领导的另一个团队也在一种更传统的量子计算机上展示了量子优势，它使用66个超导量子作为量子比特。这令大家都满怀期待，中国科学技术大学的团队及其竞争对手将在2022年树起哪些新的里程碑。

两次造出时间晶体

迎来时间晶体研究的突破就像等候公共汽车：你等了很久才等到，结果一下子就来了两辆。2021年11月，来自QuTech、美国加州大学伯克利分校和第六元素的一个物理学家团队表明，钻石中的核自旋可以构成一个特定的时间晶体——也就是说，一个在时间上表现出周期性的系统，就像晶体材料在空间上的周期性。

几周后，由美国谷歌和斯坦福大学研究人员领导的另一个小组发表了他们自己的时间晶体结果，证明这些奇异的量子物体构成了物质的非平衡阶段。有趣的是，后者使用谷歌了“悬铃木”量子处理器对其候选时间晶体进行测试，严格检查其是否符合所有要求——这是一个早期量子设备用作研究凝聚态系统的试验台的好例子。

▲永远的材料，时间晶体艺术渲染图。(来源：Matteo Ippoliti)

有待探索的量子异象

2021年，我们了解到量子热力学限制了纳米级机械钟的精度、复杂的量子操作服从每秒17毫米的速度限制、只有六个原子的集合体可以表现出集体行为、量子属性可以脱离其母体并徘徊在物体本身从未去过的区域，以及如果你把信息扔进黑洞，量子计算机甚至都不能帮助你再次把它弄出来。这些奇特的量子行为，有待科学家在新的一年进行更多探索。

（编译自《Physics World》）

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