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我国量子科技前沿研究有何新进展
2020-11-09 10:52:00
光明日报
编辑:

  由人力资源社会保障部、北京市政府主办的“量子科技学术前沿专家创新大讲堂”日前在北京量子信息科学研究院(以下简称“北京量子院”)举行。北京量子院院长、清华大学副校长薛其坤院士,国家自然科学基金委员会副主任、北京大学教授谢心澄院士,北京计算科学研究中心主任林海青院士,中国科学院半导体研究所研究员常凯院士等专家参加大讲堂活动,围绕量子物态调控、量子计算与模拟技术、量子网络与量子信息系统技术等方面分享了量子科技前沿的新进展,研讨了量子科技发展的新思路。

  我国在量子科技若干领域处于国际引领位置

  一个国家量子科技研究的实力,取决于高水平的研究机构和人才队伍。薛其坤院士先容,2017年底,北京市联合中国科学院、清华大学、北京大学等国内顶尖高校和科研机构,成立了北京量子院。

  “围绕量子科技前沿方向,北京已经聚集了一大批量子科技领域的高精尖人才。”北京量子院成立三年来,已在全球招聘全职科研人员150余人,组建了10余个科研团队,初步完成了微纳加工和综合测试两个平台的建设,我国在若干领域已处于国际引领位置。

  当前,北京的量子科技有哪些主要研究方向?薛其坤说:“主要是量子物态、量子计算、量子通信、量子材料与器件、量子精密测量等五大研究方向。今后北京量子院还将面向国家重大需求,进一步聚焦具有重大应用前景的原创性基础研究。”

  在量子科技领域取得一大批原创性成果

  我国科学家在量子科技若干领域处于国际引领位置,特别是基础研究领域,近年来取得了一批重大成果。

  谢心澄院士先容他的团队研究“拓扑半金属中的三维量子霍尔效应”:“大家研究了外尔半金属中的三维量子霍尔效应,并阐明了边缘态的完整图像。大家的工作,揭示了外尔半金属中三维量子霍尔效应的新颖边缘态的本质。”

  “窃听不动,量子直通!”清华大学龙桂鲁教授的团队报告了他们的量子直接通信研究进展,“量子直接通信是大家在2000年原创性提出的阻止窃听的新型量子保密通信技术,直接利用量子态传输秘密信息。北京量子院、清华大学联合团队最近成功研制了实用化的量子直接通信样机,实现了10公里光纤4kbps的量子直接通信。”

  量子科技是重大颠覆性技术创新,很多人对量子科技的原理和应用不了解,表示怀疑。常凯院士先容:“以半导体量子结构的自旋轨道耦合效应为例,在过去20年中展现了许多新奇的物理现象,并部分实现了器件应用。它不仅具有重要的应用价值,同时也是探索量子效应的绝佳实验平台,它可以把维度效应(或称纳米结构)、关联效应和能带拓扑性质结合起来,研究这些效应相互影响导致的新量子相和量子效应。”

  量子计算研究有哪些进展

  量子科技发展突飞猛进,成为新一轮科技革命和产业变革的前沿领域,量子计算机更是各国科学家研发的热点,中国的量子科学家在这方面的研究也取得了进展。

  北京大学王健教授先容:“近年来,量子计算机的研制已成为量子科技前沿的焦点和量子超越的核心方向。当前量子计算研究的核心难题是量子比特很难规模化地扩展。探索对环境扰动不敏感的拓扑量子计算,就成为解决这一困境的重要途径。大家的研究组与合编辑在高温超导薄膜表面有新发现,首次揭示了二维高温超导体中的一类拓扑线缺陷端点处的零能激发,将马约拉纳零能模和拓扑量子比特的研究温度提升了一个数量级,具有单一材料、较高工作温度和零外加磁场等优势,为进一步实现可应用的拓扑量子比特提供了一种方案。”

  中科院物理所研究员范桁说:“超导量子计算发展迅速,由于其高可扩展性,是科研机构和高科技企业主要采用的量子计算技术路线之一。大家最近关于超导量子计算的研究取得系列进展,包括超导量子模拟多体物理,量子机器学习,多比特量子态制备等。目前国内外团队瞄准低噪音中等规模量子计算这个目标,预计今后几年会涌现出系列成果,而在中短期内实现超导量子计算应用方面的正反馈,将可支撑量子计算的持续发展,最终实现量子计算从科学研究到实用化的跨越。”

  北京量子院副研究员裴天先容:“要构建包含百千万物理比特的通用量子计算机,现有的技术和体系很难在设计、工艺以及运行环境的兼容性上同时满足要求。使用量子点束缚电子作为量子比特的载体早在22年前就被提出,随着加工和生长技术的进步,此方向近年来取得了快速发展。通过使用核自旋为0的四族材料可以基本消除材料中磁噪声的干扰,从而获得高性能的自旋量子比特。与传统集成电路高度兼容、可工作在较高温度等特性,使得此方案在构建通用量子计算机方面极具潜力。”

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