量子力学2020年亮点概述

iStock/agsandrew 供图。

这个传染病大流行的2020年不会被任何人所喜爱，但是暂时看下光明的一面吧。量子科学和技术在2020年取得了一些显著的进展。以下列出了从量子基础研究到量子计算等领域的亮点。

最精准的温度计

温度计有多精确？今年1月，芬兰University of Aalto和瑞典Lund University的Jukka Pekkola, Bayan Karimi及其同事通过制造纳米级器件找到了答案，它可以检测样品电子温度的基本波动。温度计中的噪声水平非常低，因此可以检测出发射单个微波光子导致的能量变化，所有这些都不会干扰系统。能够发现如此微小的温度变化可以促进基础物理学的进步，这种"量子热量计"也可用于对量子系统进行非侵入性测量，如超导量子计算机中的量子位。

在‘’热和混沌‘’条件下的纠缠

"每个人都知道"量子纠缠是一种微妙的现象，只有在超冷、超低噪声的环境中才能存在。基本上"每个人"都是正确的。但是在今年6月份，西班牙巴塞罗那ICFO的物理学家使用一种叫做量子非破坏测量的技术来表明，在450K温度条件下的红宝石样品中，包含的5.32×1013个原子至少有1.52×1013个原子是纠缠的。由Morgan Mitchell和Jia Kong领导的研究小组也表明，这种纠缠是非局部的，这意味着它涉及的原子彼此并不接近。除了对量子纠缠是什么样子的挑战性假设之外，这一发现对于基于热、致密的原子云的汽相自旋-交换-驰豫-释放（SERF）磁力计等感知技术来说可能很重要。

第一个量子相位电池
 

第一个量子相位电池，Andrea Iorio供图。

随着量子电路变得越来越复杂，它们里面的元素也变得复杂。今年6月，比萨的SED-CNR纳米科学研究所和意大利萨勒诺大学（University of Salerno）的物理学家展示了第一个量子相位电池：一种对量子电路的波函数提供持久相位偏置的器件，类似于传统电池向电路提供持续电压偏置的方式。Francesco Giazotto, Elia Strambini, Andrea Iorio及其同事用 InAs 纳米线和超导 Al 引导线制造的器件是基于五年前西班牙物理学家开发的理论概念，这一重大利好消息表明了这一领域的快速发展。

测量量子隧穿时间

粒子隧穿一个能量势垒需要多长时间？对量子力学第一个“黄金时代”的物理学家来说，这个问题在20世纪20年代中期研究Schrödinger方程时偶然发现了隧穿现象，这个问题似乎很新奇。然而，随着量子基础的进步，我们现在有了答案。今年7月，加拿大多伦多大学的Aephraim Steinberg领导的物理学家发现，超冷红宝石-87原子隧穿超过其直径1万倍的能量势垒用了0.62毫秒的时间。虽然Steinberg承认他的团队对隧道时间的定义并非是唯一研究的，但他们的实验为这种现象提供了解释，尽管这个现象是扫描隧道显微镜和闪存记忆体等实用技术的核心，但目前仍缺乏了解。

光电路中的量子优势

2019年9月，谷歌的量子计算专家宣布，他们使用Sycamore处理器解决了一个问题，处理速度比传统的超级计算机快10亿倍以上。几周之后，IBM的竞争对手对这个结果泼了冷水，暗示处理速度更像是快了1000倍（但是仍然令人印象深刻）。2020年晚些时候，对"量子优势"的追求再次成为头条新闻，中国合肥科技大学的Jian-Wei Pan和Chao-Yang Lu研究员宣布，他们进行了一项量子计算，即高斯玻色子的采样速度比超级计算器快100万亿倍。值得注意的是，Pan和Lu用光学组件而不是超导组件搭建了量子电路。这个结果即是一件艺术品也是一项科学成果，由大约300个分束器和75个反射镜随机排列产生的100个输入和100个输出。

量子优势：中国科技大学高斯玻色子的采样实验。Chao-Yang Lu 供图。

这样的系统是否可以扩展是一个开放的问题，但是这个问题也不是光学技术独有的。许多人都希望忘记这一年，当然也不想重温。但是这样的发展，就像我们列出的其它发展一样，都值得欢呼与庆祝。