量子互联网关键技术的突破，使我们离量子互联网时代又近了一步

1. 量子互联网关键技术的突破，使我们离量子互联网时代又近了一步

量子物理学不仅在量子计算领域而且在量子互联网方面都有望取得巨大进步，量子互联网是将数据从一个地方传输到另一个地方的下一代框架。现在，科学家发明了适用于量子调制解调器技术，该技术可以充当网络网关。
     
 使量子互联网优于您正在浏览的常规现有互联网的优势在于安全性：用量子技术干扰正在传输的数据实际上会破坏连接，它尽可能地接近不可破解。
  
 与尝试生产实用的商用量子计算机一样，将量子互联网从潜力变为现实也需要时间-考虑到所涉及的极其复杂的物理学，这不足为奇。量子调制解调器对于该技术而言可能是非常重要的一步。
     
 “将来，量子互联网可以用来连接位于不同地方的量子计算机，这将大大提高其计算能力！”德国马克斯·普朗克研究所的物理学家安德烈亚斯·雷塞尔（Andreas Reiserer）说。
  
 量子计算是基于量子位的概念构建的，与传统计算机位不同，量子位可以同时存储多个状态。这项新的研究着重于将量子计算机中的静止量子位与在这些机器之间移动的运动量子位连接起来。
     
 当我们处理与量子物理学一样精细地存储的信息时，这是一个艰巨的挑战。在这种设置中，光子用于存储传输中的量子数据，将光子精确地调整到当今通信系统中使用的激光的红外波长。
  
 这为新系统提供了一个关键优势，因为它可以与现有的光纤网络配合使用，当该技术准备推出时，这将使量子升级变得更加简单。
     
 图注：暴露于红外光（红色光盘）中的铒原子（箭头）的图示。
  
 在搞清楚如何让存储的量子位与移动的红外光子反应正确时，研究人员确定铒元素及其电子最适合这项工作，但 铒元素 原子自然不会倾向于在两个状态之间进行必要的量子跳跃。为了实现这一点，静态的铒元素原子和移动的红外光子基本上被锁在一起，直到它们相处。
  
 制定方法需要仔细计算所需的空间和条件。研究人员在调制解调器内部，在由硅酸钇化合物制成的晶体周围安装了一个微型镜柜。然后将该装置冷却至负271摄氏度（负455.8华氏度）。
     
 冷却的晶体使铒原子稳定到足以引起相互作用的程度，而反射镜将红外光子反弹约数万次，从而为必要的量子跃迁创造了成千上万的机会。研究人员说，这些镜子使该系统比其他系统快60倍，并且效率更高。
  
 一旦在两种状态之间实现了跳跃，信息就可以传递到其他地方。数据传输带来了一系列需要解决的新问题，但是科学家们正忙于研究解决方案。
     
 与量子技术的许多进步一样，要花一些时间才能将其从实验室转移到实际的真实世界系统中，但这又是向前迈出的重要一步——这项研究还可以帮助传递数据的量子处理器和量子中继器在更长的距离。
  
 研究人员在其发表的论文中写道：“因此，我们的系统能够实现光量子位与固态量子位之间的有效相互作用，同时将固态量子位的脆弱量子特性保留到前所未有的程度。”

2. 探秘量子科学，我们走到了哪一站

普朗克、爱因斯坦、玻尔、海森堡、费米、薛定谔……20世纪科学界许多最为杰出的头脑，都为一个概念着迷——量子。
  
 
  
  
 2019年末，谷歌宣布其量子计算机仅需200秒就能完成传统超级计算机花费1万年才能完成的运算，声称已实现“量子霸权”。这样的“霸权”又有多厉害?
  
 
  
    
  
  
 量子科学，何以惊世?
  
 
  
  
 理科生几乎都听说过这句名言：如果你第一次接触量子力学而不感到惊讶，那你一定是没有弄懂它。其实，不限于量子力学，作为20世纪科学 探索 最辉煌的遗产之一，今日方兴未艾的量子科学整个领域都在不断考验人类的“智商上限”。
  
 
  
    
 
  
  
 
  
 
  
    
 
  
  
 我们果真要迎来量子科学时代了吗?
  
 
  
  
 量子科学，慎言“致用”
  
 
  
  
 科幻电影已畅想过多种量子科学改变世界的应用：超视距物质传输、多维宇宙空间畅行、“绝对保密”的量子通讯……让观众每每叹为观止。
  
 
  
  
 这些场景离我们还远吗?其实科学家大多不愿盲目乐观，大家的共识是谈商业应用还为时过早。”张胜誉说，“不过，就像经典计算机发展史上晶体管的意外降临那样，科学技术的新进展有时也会以惊喜的形式涌现。未来5年，我们也许会目睹一次颠覆性突破。”
  
 
  
  
 量子科学奠基于“不确定”，而 探索 量子科学终日要面对的“不确定”，在张胜誉和他的同道看来是这个领域最有魅力的一面。不过，“不确定”也给他们带来实验室以外的烦恼：悄然兴起的种种所谓“量子产业”，正在与科学家争夺大众的眼球。
  
 
  
  
 张胜誉呼吁，我们更需要解惑释疑的科普，而不是毫无根据的炒作。种种把“风声”包装成“风口”的行径，实在是在误导对量子好奇的人们。
  
 
  
  
 量子科学，中国何为?
  
 
  
  
 量子科学研究，中国离“并跑”还有多远?张胜誉直言差距还很明显：“这个差距不是短期就可以弥补的，技术积淀、人才培养、科研氛围等方面均存在短板。”不过，在量子通讯等具体领域，中国已有 探索 走在世界前列，这是希望所在的亮点。
  
 
  
  
 
  
 
  
  
 为中国量子科学迈入“并跑时代”而努力，现在最需要做的是什么?诸多科学家表示，要在融合。一方面，以跨学科培养模式积累人才；另一方面， 探索 贯通协作的多学科人才交叉研究机制，这不仅是科学家的事，产业界的支持也极其宝贵。
  
 
  
  
 令张胜誉欣慰的是，而今国内已有机构在朝着这样的方向迈出步伐，比如腾讯新近设立的量子实验室。作为互联网公司布局量子科学枢纽型平台的代表，这家实验室的开放性令其印象深刻。这也是他选择加盟的原因。
  
 
  
  
 
  
 
  
  
 “作为基础科学，量子科学的壮大不可能一蹴而就。我们要提前布局，更要长期投入。”张胜誉说，“在这个过程中，我特别希望能把一线从业者和中青年学者聚起来，在紧密的沟通和合作中打造一个开放而有潜力的生态系统。”

3. 再登《Science》! 中科大潘建伟团队新突破，量子计算和模拟向前一步

 一周内两次登上国际科学期刊，中科大潘建伟团队太“忙”了！
   6 月 15 日，《Nature》杂志刊登了潘建伟团队主导的量子通信研究《基于纠缠的千公里级安全量子加密》。
   6 月 18 日，《Science》杂志以“First Release”形式刊登了潘建伟、苑震生在超冷原子量子计算和模拟研究的最新进展，题为“Cooling and entangling ultracold atoms in optical lattices”《在光学晶格中冷却和纠缠超低温原子》。
      雷锋网注：图片截自 Science
   在后者这项研究中，研究人员实验了首次提出的冷却新机制，实验后使系统的熵 降低了 65 倍 ，达到了创纪录的低熵。
   在此基础上，研究团队在光晶格中 首次实现了 1250 对原子高保真度纠缠态的同步制备，保真度为 99.3%。 
   
   在量子计算领域，量子纠缠被视为核心资源，随纠缠比特数目的增长，量子计算的能力也将呈指数增长。
   因此， 大规模纠缠态的制备、测量和相干操控成为了量子计算研究的核心问题。 
   通常情况下，实现大规模纠缠态要先同步制备大量纠缠粒子对，再通过量子逻辑门操作将其连接形成多粒子纠缠。
   由此， 高品质纠缠粒子对的同步制备是实现大规模纠缠态的首要条件。 
   在实现量子比特的物理体系中，由于具备良好的可升扩展性和高精度的量子操控性，光晶格超冷原子比特和超导比特被视为最可能率先实现规模化量子纠缠的系统。
   早在 2010 年，中科大研究团队就与德国海德堡大学展开了合作，对基于超冷原子光晶格的可拓展量子信息处理展开联合攻关。
   研究人员开发了具有自旋依赖特性的超晶格系统，形成了一系列并行的双阱势。
   不仅如此，每个双阱势用光场产生了有效磁场梯度，结合微波场，实现了对超晶格中左右格点及两种原子自旋等自由度的高保真度量子调控。
   据量子物理和量子信息研究部的说法，在早期研究中，研究团队使用 Rb-87 超冷原子制备了 600 多对保真度为 79% 的超冷原子纠缠态并使用该体系调控特殊的环交换相互作用产生四体纠缠态，模拟了拓扑量子计算中的任意子激发模型。
   但由于 晶格中原子的温度偏高，使其填充缺陷大于 10%， 不利于形成更大的多原子纠缠态和提升纠缠保真度。
   因此，光晶格超冷原子比特系统需要进一步提升。
   
   论文指出，研究团队首次提出了新制冷机制，即利用交错式晶格结构将处在绝缘态的冷原子浸泡到超流态中，通过绝缘态和超流态之间高效率的原子和熵的交换，以超流态低能激发的形式存储系统中的热量，再用精确的调控手段移除超流态，从而获得低熵的填充晶格。
   基于此，研究人员在一个具有 10000 个原子的量子模拟器展开了实验。在二维平面上，研究人员将莫脱绝缘体样品浸泡在可移动的超流体储层中使其冷却。
      雷锋网注：图为光晶格中原子冷却的示意图
   结果显示，制冷后使系统的熵达到了创纪录的低熵， 降低了 65 倍 ，不仅如此， 晶格中原子填充率大幅提高到 99.9% 以上，达到近乎完美的程度。 
   在这一制冷基础上，研究人员进一步推进研究。
   研究人员开发了两原子比特高速纠缠门，最终 获得了纠缠保真度为 99.3% 的 1250 对纠缠原子。 
   对此，研究人员表示，其研究为 探索 低能量多体相提供了一个环境，使产生大规模的纠缠更具可能性。
   另外，对于这一研究结果，《Science》杂志的审稿人给与了正面评价：
   
   超冷原子量子计算和模拟研究之所以能取得新突破，离不开以潘建伟、苑震生为主导的研究团队，而从其过往的研究经历来看，二位来头不小。
    潘建伟 
      潘建伟，有“量子之父”之称，是“墨子号”的首席科学家。主要从事量子物理和量子信息等方面的研究，是国际上量子信息实验研究领域开拓者之一，同时也是该领域具有重要国际影响力的科学家。
   虽然一周连登两次国际期刊，但潘建伟的高光，远不止如此；不仅多次登上国际期刊，还屡次创下记录，主要包括：
    苑震生 
      苑震生，中国科学技术大学教授，其研究方向包括超冷原子量子调控、量子光学，以及原子分子物理。
   据量子物理与量子信息研究部官方介绍，苑震生教授在国际权威学术期刊上发表研究论文多达 40 余篇，总引用 2000 次。
   其中包括：
   ·······
   尽管这些“最可爱的人”已取得了许多成就，但他们仍未停歇，不断用新的研究成果刷新着我国在量子计算和模拟的进步。
   期待更多的研究成果的发布，雷锋网也将持续关注。
   参考资料：雷锋网
   【1】https://science.sciencemag.org/content/early/2020/06/17/science.aaz6801
   【2】http://quantum.ustc.edu.cn/web/node/852
   【3】http://quantum.ustc.edu.cn/web/node/45

4. 量子网络的突破

美国的科学家美国的科学家已经利用一束强激光轰击一团铷原子，生成了具备这团铷原子量子态的单个光子，然后把这个光子传送到100米长的光缆，输送到另一团铷原子中，生成了与原来的铷原子同样量子态的另一团铷原子，光子携带的量子态信息没有丝毫损失，从而实现了原子与光子的量子态传输。夸祖鲁－纳塔尔大学南非夸祖鲁－纳塔尔大学量子技术中心的研究人员，在量子密码领域的光子加密技术应用研究方面取得重大进展，他们成功地将基于光子加密技术的计算机安全系统应用到南非德班市的一个小型网络中。彼得鲁乔内负责此项研究的量子物理学家弗兰塞斯科·彼得鲁乔内介绍说，利用光子对数据进行加密，是一种绝对安全的信息传递方法。该方法背离现有的数学运算法则，与传统的信息传递方法大相径庭。它利用的是一种量子力学现象——量子纠缠，又称量子缠结，要想破译它的密码是非常困难的。而且，使用该技术的网络安全系统非常敏感，如果有人对两个正在通讯联络的人进行窃听或刺探干扰，通讯双方可以立即察觉到。彼得鲁乔内认为，理论必须应用到现实中。“智能城市”计划已经让众多的学生受益，因为它可以让学生有机会在现实环境中检验实验室中创造的技术。但要吸引更多的学生来研究量子物理，就必须有更多的发明，使量子技术能创造更多的就业机会。德班市作为该项目的资助方之一，德班市目前已将该技术应用到一个小型网络中，该网络由两个诊所、一个市政中心和一个消防站组成。这使德班成为南非第一个拥有量子网络的城市，同时这也是德班市建设“智能城市”计划的一部分。该市的管理者相信，量子信息和通讯技术不仅会促使市政当局转型为一个由高技术信息驱动的组织机构，而且会让德班成为未来技术的“孵化器”。