量子科技最新进展：中国团队在离子阱量子模拟器上实现拓扑缺陷量子叠加观测
量子科技最新进展：中国团队在离子阱量子模拟器上实现拓扑缺陷量子叠加观测
量子科技是21世纪最具革命性的科技领域之一，其发展将深刻改变人类社会的方方面面。本文汇总了2024年10月份全球量子科技领域的最新科研进展和行业资讯，涵盖了量子计算、量子通信、量子测量等多个领域的突破性成果。
科研进展
首次在离子阱量子模拟器上观测到拓扑缺陷的量子叠加
拓扑缺陷作为一个基本的数学概念，在磁学、高温超导、大统一理论、宇宙学等物理领域广泛应用。此前的实验研究通常只关注拓扑缺陷的密度等经典性质，虽然有理论工作预言了拓扑缺陷的量子叠加态，并将其应用于理解量子相变的动力学过程，但该现象的实验观测因受到整个量子系统的退相干和量子态制备与测量误差的限制，而难以实现。
清华大学段路明院士团队首次在实验上观测到拓扑缺陷的量子叠加。研究人员通过对各个离子量子比特的单独寻址操控，在20个离子的一维离子链上制备了单个自旋扭结的初态；进一步的，利用长程相互作用的横场伊辛模型实现平缓的自旋扭结有效势场，观察到自旋扭结在动力学演化过程中由于量子干涉效应分裂成位于不同位置的叠加态。相关研究成果发表于Science Advances。
论文链接：
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adr9527
神经网络算法实现对量子态物理性质的准确预测
表征多体量子系统的一个主要挑战在于，随着系统规模的扩大，所需的测量设置数量呈指数增长。随机测量技术通过从单粒子观测量的乘积集合中随机抽样，减少了所需的测量设置，从而提供了一种高效的量子态性质预测方法。然而，对于具有局部相互作用的多体量子系统，由于其量子态往往具有特定的结构特点，可以通过更少的测量来获取所需的信息。这样的抽样方法可以仅基于短程关联来表征量子态。基于短程关联的技术已经在量子态层析和纠缠检测中得到应用，其中一个有前景的方向是利用神经网络，通过短程关联的采样数据，直接预测量子系统的全局量子性质。
上海交通大学吴亚东副教授团队与香港大学Giulio Chiribella教授团队合作，提出了一种基于多任务学习的神经网络算法，利用相邻量子比特的测量数据实现对量子态物理性质的准确预测。该研究引入了一种基于多任务学习技术的神经网络模型，该模型可以仅使用少量相邻量子比特的测量数据，预测具有常量关联长度的多体量子态的多种量子性质。与传统的单任务学习相比，多任务学习的预测准度更高。通过数值模拟，研究人员发现对于短程关联量子态，多任务神经网络模型可以通过短程关联来预测全局性质，并能够区分单任务网络无法区分的量子相。相关成果发表于Nature Communications。
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41467-024-53101-y
量子系统演化过程多点成像
与经典系统不同，量子测量往往会对量子系统产生扰动或导致其坍缩，这种现象被称为量子测量的反作用。因此，直接对量子系统进行多次连续测量时，各测量间的相互影响会阻碍获取准确的测量结果，给量子系统时间关联性质的研究带来巨大挑战。
北京量子信息科学研究院金奇奂教授团队在镱-钡混合离子阱系统上，创新性地提出一种“量子系统演化过程多点成像”的测量方案。该方案通过引入辅助量子系统，对目标量子系统进行间接多次测量，并通过对多次测量数据进行重构处理，有效消除了测量反作用的影响，成功再现了目标量子系统的真实演化过程。团队还在镱-钡混合离子阱系统上进行了实验验证，利用镱离子作为目标量子系统，钡离子作为辅助量子系统。混合离子体系的特点使得研究人员能够在不破坏目标量子系统的前提下，单独探测辅助量子系统。此外，团队通过反复探测与重置辅助量子系统，实现了辅助量子比特的复用，从而在仅使用一个辅助量子比特的情况下完成了多次连续测量。相关成果发表于Nature Communications。
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41467-024-53051-5
首次在实验上制备了毫赫兹频段量子压缩态光场
量子压缩态光场广泛应用于量子精密测量研究领域。受环境噪声等限制，现有压缩光源的最低工作频段被局限在赫兹量级。
山西大学史少平副研究员、郑耀辉教授团队基于高压缩度压缩光源制备方面长期的理论研究和技术积累，针对性提出了多重噪声抑制方案，利用光学滤波腔实现光束指向波动与光场强度噪声的转化，并进一步通过高精度外环反馈控制系统有效抑制泵浦功率起伏，实现了环境噪声免疫。最终实现了毫赫兹频段压缩光源的稳定输出，最大压缩度达8.0dB。相关成果发表于Light: Science & Applications。
论文链接：
https://doi.org/10.1038/s41377-024-01606-y
量子多体问题求解方法精度的量化指标
量子多体问题是物理学中的一个具有挑战性的课题，因为其目标是理解和预测大量微观粒子在复杂的相互作用和纠缠中所表现出的新特性和现象。这些研究旨在通过全面解析粒子系统的集体行为，最终解释自然界中的各种现象。量子计算机可能比传统经典计算机具备更好的性能来分析量子多体问题，但确定实现量子优越性必须达到的计算水平的标准一直不明确。多年来，科学家们一直依靠量子蒙特卡罗模拟和张量网络（变分波函数）等混合方法来近似解决量子多体问题。每种方法都有其优缺点，但很难知道哪种方法最适合解决哪类问题。直到现在，还没有通用的方法来比较这些方法的准确性。
瑞士洛桑联邦理工学院(EPFL)主导的国际合作研究团队开发了一种名为V-score（“V”代表“Variantional Accuracy 变分精度”）的新基准。V-score提供了一种统一的指标来比较不同的量子方法在同一问题上的表现。通过量化精度，量子多体问题数值方法的进步程度得到了可视化，未来量子计算机应解决的问题以及量子优越性的标准也得到了明确的界定。该研究对未来量子算法和量子计算用于解决量子多体问题的研究指明了一个发展方向。相关成果发表于Science。
论文链接：
https://www.science.org/doi/10.1126/science.adg9774
行业资讯
玻色量子中标中国移动首个量子计算机整机
2024年10月，中国移动采购与招标网显示，北京玻色量子科技有限公司成功中标中移（苏州）软件技术有限公司2024年至2025年量子计算实验平台采购项目。此次中移（苏州）软件技术有限公司共采购1套相干光量子计算机、1套中性原子量子计算测控实验平台、1套离子阱量子计算测控实验平台，玻色量子中标标包1：一套相干光量子计算机。
来源：
https://www.qboson.com/newsDetail?id=267
欧盟重启量子通信投资，投入9700万美元保障欧洲基础设施安全
欧盟通过了欧洲量子通信基础设施（EuroQCI）计划，扩展其量子通信能力。该项目致力于在成员国之间建立超安全的通信渠道。按照近期在欧洲互联设施框架下发布的提案邀请，EuroQCI项目重点发展安全的量子通信网络，以保护关键公共基础设施和跨国界的敏感数据传输。该倡议的一个核心目标是利用量子密钥分发技术创建安全的跨境连接。此举是确保欧洲数字自主权并提高其通信安全性的战略之一。
英国创新署发布新报告，重点关注用于医疗保健领域的量子技术
英国创新署（Innovate UK）近日发布了一份题为《Quantum For Life》的新报告，该报告旨在让健康和医学领域的人员了解量子技术的现状和未来趋势，以认识其可能对该领域产生的影响。报告重点介绍了可穿戴脑扫描仪和利用量子纠缠的非侵入性癌症检测等技术进步。报告还称，英国创新署已在过去6年里向量子项目投资了超2.2亿英镑，其中有超过1400万英镑的资金被专门用于医疗保健领域的应用研究。
来源：
https://iuk-business-connect.org.uk/wp-content/uploads/2024/10/Innovate-UK-Quantum-for-Life.pdf