这是聚焦报道量子研究最新进展的专栏。
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这是第4期“量子快报”，欢迎您持续关注~
大多数宇宙学模型认为在宇宙最初时刻，空间快速膨胀、量子涨落放大。因此，要描述宇宙开始形成后的宇宙动力学相关问题，需要理解弯曲时空中暗物质和标准模型的量子场；但即使在明确时间的相关时空度量中，标量量子场的简化理论也是一个难题。因此，需要量子场模拟器能够模拟实现弯曲时空中的标量量子场。
德国海德堡大学的Celia Viermann教授研究团队研究了一种在二维玻色-爱因斯坦凝聚态中的量子场模拟器，该套实验系统可以研究量子物理学中的基本问题，如时间演化弯曲空间中的纠缠、一般视界的连接、热力学和广义相对论。该套量子模拟器系统通过简易升级还可以改变时间上的空间曲率，进而研究加速和减速时代的宇宙学，或将系统扩展到三维，将实验平台扩展到多原子系统，可以实现对非传统的几何时空的研究。
https://www.nature.com/articles/s41586-022-05313-9
操纵量子态必需参数的确定：
砷化铟双量子点的非对称耦合
量子比特是量子信息技术和未来量子计算机的必要构建模块，量子比特可以由基于双量子点的相干叠加形成，量子态的相干特受环境影响。在对双量子点的早期研究中，已经验证了它们通过声子发射与环境相互作用。最近，许多科研工作对失谐量子点与声子的耦合进行了详细研究，但很少有仅针对共振的研究。
近日，德国莱布尼茨-汉诺威大学的Olfa Dani教授研究团队通过砷化铟双量子点测量了电流中的共振峰，并研究了在1.5-21 K范围内双量子点展宽随着温度增加的特性；同时，通过对峰值的研究，确定了耗散模型的参数，研究得出，在实验的温度范围内，失相时间约为100皮秒。假设相同的模型参数在较低的温度下有效，可以预测相干时间可达10纳秒，对此，该研究团队认为他们的工作能够提供确定所有涉及使用量子态所必需参数的方法。
https://www.nature.com/articles/s42005-022-01074-z
多维玻色量子纠错方法:
实现神经网络解码器的“指数级改进”
实现大规模量子计算需要可靠的量子纠错方法，现有很多技术可以实现物理逻辑量子位编码的纠错。然而，随着量子系统的不断发展，量子硬件数量不断扩大和量子比特不断增多，给现有的量子纠错方法带来了巨大的挑战；同时，玻色量子纠错被证明为高效的无限维量子纠错方法。
近日，中国科学家结合最小权值完全匹配算法和曲面玻色子模型解码实现了神经网络解码器速度指数级改进，并通过算法改进解决了硬件数量要求过多的问题。与表面码单独解码相比，该多维组合纠错码方法将解码阈值提高了15%左右，该项研究成果为量子纠错计算提供了更高的极限保障。
https://www.nature.com/articles/s41534-022-00650-z
物理系统的模拟对于基础科学的研究极具价值，从材料设计到制药开发都有其技术应用。与经典计算机相比，量子计算机有潜力提供成倍提高模拟量子力学系统效率的方法。尽管量子硬件在不断进步，但是我们仍然处于“噪声中等尺度量子”时代，在这个时代，可用的硬件被限制在相对少量的量子位上，并且容易出错。由于当前硬件的相干时间较短，所以需要更深层的电路以成功实现在噪声中等尺度量子硬件上更可用模拟的方法。
近日，美国洛斯阿拉莫斯国家实验室的Joe Gibbs教授研究团队使用一种称为固定状态变分快速转发算法的动态模拟，该方法可以减少快进量子模拟所需的宽度、深度和电路总数，从而增加在硬件上执行量子模拟的可行性。该方法实现了在超过600个时间步后实现了超过0.9的模拟保真度。这项工作证明了尽管目前可用的量子硬件尺寸和噪声水平适中，但仍可以高保真度执行长时间量子动态模拟。
https://www.nature.com/articles/s41534-022-00625-0
量子模拟器可以模拟传统计算机难以处理的复杂量子系统，为实现费米-哈伯德量子模拟器，人们探索了各种形成人工晶格的实验平台，如光学晶格、叠纹超晶格和半导体量子点系统。然而，到目前为止，单/少掺杂量子点二维人工晶格的原子尺度制备系统尚未在实验室实现。
近日，美国国家标准与技术研究院的Garnett Bryant教授研究团队使用原子尺度合成的单/少掺杂量子点阵列模拟了3×3二维晶格的扩展费米-哈密顿量，并研究了阵列内的多种性质。该项研究成果为探索强相关二维系统的扩展费米-哈伯德模型提供了一个新的量子态平台。
https://www.nature.com/articles/s41467-022-34220-w
二氯乙酸是一种存在于生物系统和环境中的有机卤化物，可从氯化饮用水、消毒剂、代谢物、各种工业溶剂和氯化药物中产生。二氯乙酸具有潜在的健康危害。同时，二氯乙酸作为用于治疗心脑血管疾病、高胆固醇血症、乳酸酸中毒和癌症的药物成分已使用了约半个世纪。但是目前医学上没有二氯乙酸检测仪可以监测组织或血浆中的二氯乙酸浓度水平。
量子点由于具有低毒性和良好的光稳定性、生物相容性、水溶性等优点，被广泛应用于生物成像的荧光纳米探针。近日，印度国际大学Prithidipa Sahoo教授团队开发了一种通过“关-开”机制选择性检测二氯乙酸的共轭量子点，用来检验其检测人类细胞系和活斑马鱼二氯乙酸的适用性。该项研究发现制备的量子点复合体和二氯乙酸都能轻易进入活细胞内部，并能分散到成年斑马鱼的全身。同时，研究表明量子点复合体和二氯乙酸对人类和成年斑马鱼的细胞无毒性。因此，他们提出这种独特的量子点复合体可以选择性检测生物系统和环境中的二氯乙酸。
https://www.nature.com/articles/s41598-022-22039-w
尽管超导量子位在特定计算任务中已经凸显了量子的绝对优势，但由于噪声的影响，目前的量子计算机仍然存在误差，导致其离在物理模拟、优化、机器学习和化学等领域的实际应用仍有一段距离。实现的量子计算的复杂性主要受限于单量子位和双量子位量子门的误差，要求所有量子门保真度的目标为99.99%。
芬兰阿尔托大学的Suman Kundu教授研究团队介绍并演示了一种新的超导单量子比特门，该量子比特门具有高非谐性，同时对低频电荷噪声具有完全弹性，并部分免受磁通噪声的影响。重要的是，研究团队观察到单量子比特门保真度随着门持续时间的减少而逐渐增加，并且在13纳秒持续时间内保真度稳定在99.9%。基于此项研究成果，研究团队提出改进设计、材料和门时间可以进一步打破99.99%的保真度目标，实现具有量子优势的量子计算机的实验应用。
https://www.nature.com/articles/s41467-022-34614-w
降低量子电路深度是实现量子技术发展的重要一步，量子电路深度与电路中已合成的可用量子门数量成反比；此外，量子门合成和控制问题具有很强的外部参数依赖性，量子处理器的能力很大程度上取决于可用门数量。
近日，德国科隆大学的Francesco Preti教授研究团队讨论实现了自适应学习依赖于各种参数的最优控制脉冲方法，以获得量子空间的全局最优控制方案，从而产生连续类的量子门。研究团队还将提出的方法在不同相关量子门上进行了测试，证明了即使在存在多个变量或参数大范围不确定的情况下，也能够产生高保真脉冲。
https://journals.aps.org/prxquantum/abstract/10.1103/PRXQuantum.3.040311
除上述国际期刊最新量子研究进展，国内一流光学期刊上也发表相关优秀研究成果。
例如，Advanced Photonics编委陆朝阳领衔策划的专题——“莫失蓝海：光子学在量子技术中的巨大潜力”。该专题聚焦量子科学和技术的进步，邀请多位相关领域的权威专家撰写了综述文章和原创论文，集结成“量子技术”专题，展示光子学在促进若干量子技术发展中的重要作用。
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