周报丨工信部加快布局量子科技；韩国要做量子四大强国

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工信部部长金壮龙：加快谋划布局量子科技等未来产业

2023年，如何推进工业稳增长？怎样提升制造业核心竞争力？工业和信息化部部长金壮龙日前接受了新华社记者采访。

当被问到工信部将采取哪些具体措施加快建设现代化产业体系时，部长表示：加快培育壮大新兴产业。加快人工智能、生物制造、物联网等战略性新兴产业创新发展，实施先进制造业集群发展专项行动，研究制定未来产业发展行动计划，加快谋划布局人形机器人、元宇宙、量子科技等未来产业。

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韩国目标成为全球量子技术四大强国之一

2022年12月29日，韩国科技信息通信部举办第一届量子科技高层战略对话，并表示政府着手培育量子技术研发和产业，目标是在2030年代成为四大量子技术强国之一。

韩国提出了阶段性的技术目标，即在2030年初演示超越超级计算机的量子计算机，在取得将目前100公里水平的量子密码通信技术扩大到全国网级的技术的同时，能够演示以量子存储器为基础的量子网络。

韩国科技部部长李钟浩说：“为了克服我们在量子技术领域的弱点并迅速迎头赶上，我认为在量子技术的所有领域都迫切需要产学研和政府之间的合作。政府将尽最大努力，提供政策支持，使私营和公共部门能够在2030年之前联手助力韩国成为量子技术的四大强国之一。”

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新型光子数分辨(PNR)探测器可以分辨多达100个光子

耶鲁大学物理学教授Hong Tang的实验室开发了第一个实现的片上光子数分辨(PNR)探测器，一次可以分辨多达100个光子。这种探测器显示了它在分辨光脉冲的光子统计方面的能力。研究结果发表在《自然·光子学》上。

目前的光子计数设备一次可以检测到的光子数量有限，通常一次只能检测一个，而且不超过10个。Hong Tang实验室的设备不仅将PNR能力提升了100，而且在计数率上也提高了三个数量级。它还可以在易于访问的温度下运行。

在他们的工作基础上，研究人员计划使设备更小并增加它可以检测到的光子数量。包括使用不同的介电材料将其光子数分辨率提高到1000以上。

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超导量子计算机的互连取得重要进展

构建大型量子计算机的一个挑战是研究人员必须找到一种有效的方法来互连量子信息节点——在计算机芯片上分离的较小规模的处理节点。为此，麻省理工学院的研究人员开发了一种量子计算架构，可以实现超导量子处理器之间的可扩展、高保真通信。

在Nature Physics上发表的工作中，麻省理工学院的研究人员展示了第一步，即单光子（信息载体）在用户指定方向上的确定性发射。他们的方法确保量子信息在超过96%的时间内以正确的方向流动。

将这些模块连接起来，就可以形成一个更大的量子处理器网络，这些处理器相互连接，无论它们在计算机芯片上的物理距离如何。

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KIT开发了新型量子比特，对材料缺陷敏感度提高100倍

卡尔斯鲁厄理工学院（KIT）一个研究团队现已创造出对材料缺陷敏感度提高100倍的量子比特——这是消除缺陷的关键一步。该团队将结果发表在《自然·材料》杂志上。

KIT量子材料与技术研究所（IQMT）的Ioan M. Pop博士表示：“超导量子比特的核心是所谓的约瑟夫森结，用于存储量子信息。”一般来说，超导量子比特的约瑟夫森结是用一层薄薄的氧化层将两层铝分隔开而形成。“相比之下，我们的量子比特只使用单层'颗粒铝’，这是一种由嵌入氧化物基质中的几纳米大小的铝颗粒制成的超导体，”Pop说。因此，材料本身形成了约瑟夫森结的三维网络。“令人兴奋的是，我们量子比特的整个特性都是由一个只有20纳米的微小收缩控制的。因此，它就像是超导量子比特中微观材料缺陷的放大镜，并为它们的改进提供了一个充满希望的前景，”IQMT的Simon Günzler补充道。

该团队开发的量子比特名为Gralmonium，是之前测试的所谓fluxonium量子比特方法的根本进步。在以前的版本中，零件由颗粒铝制成，其他零件通常由铝制成。在本次工作中，研究人员进一步迈出了决定性的一步，从颗粒铝中制造出了完整的量子比特。“这为蚀刻工艺的工业生产带来了全新的可能性，并扩大了量子比特的应用领域，例如在强磁场中。”。

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中国科研团队研制成功“量子芯片激光手术刀”

从安徽省量子计算工程研究中心获悉，中国首个专用于量子芯片生产的激光退火仪研制成功，该设备可解决量子芯片位数增加时的工艺不稳定因素，像“手术刀”一样精准剔除量子芯片中的“瑕疵”，增强量子芯片向多比特扩展时的性能，提升量子芯片的良品率。

据介绍，该激光退火仪由合肥本源量子计算科技有限责任公司研发，设备可达到百纳米级超高定位精度，可对量子芯片中单个量子比特进行局域激光退火。激光退火仪拥有正向和负向两种激光退火方式，可定向控制修饰量子比特的频率参数，解决多比特扩展中比特频率拥挤的问题，助力量子芯片向多位数扩展，该设备目前已投入使用。

量子芯片生产过程中，科研人员通过无损探针仪发现量子芯片的优劣，对于其中的“坏品”和“次品”，再用激光退火仪改善其中“不良”的部分，从而提高量子芯片的品质。

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战略政策

Strategy & Policy

以色列创新局投资3000多万美元开发量子计算机

以色列创新局宣布成立其历史上最大的财团，旨在开发以色列的量子计算技术，三年预算为1.15亿新谢克尔（约合3250万美元）。

该财团将推广两种量子处理器技术——俘获离子和超导体，以及深层量子软件。将优先考虑的关键发展包括量子处理器、系统构建模块、相干控制工具、噪声表征和降低软件，从应用程序级到物理实现的全自动软件环境。该财团的产品将包括数十个量子比特规模的量子计算系统的系统技术演示。

该财团成员包括五家以色列公司：IAI Group、Quantum Art、Classiq、Qedma和拉斐尔先进防御系统公司。此外，技术开发将得到希伯来大学、魏茨曼研究所等以色列领先学术实体的支持。

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总理莫迪：印度正在朝着量子计算的方向快速发展

第108届印度科学大会(ISC)于2023年1月3日开幕。印度总理纳伦德拉·莫迪在ISC 2023的开幕式上致辞，该会议旨在促进印度的科学事业。“2015年，我们在130个国家/地区的全球创新指数中排名第81位，但到2022年，我们已达到第40位，”莫迪表示。

莫迪谈到了量子计算以及印度如何作为量子前沿在世界上留下自己的印记。“印度正在朝着量子计算机、化学、通信、传感器、密码学和新材料的方向快速发展”，他在敦促年轻研究人员和科学家获得量子领域的专业知识并成为领导者时说。

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以色列发射第一颗量子通信纳米卫星

当地时间本周二1月3日，以色列特拉维夫大学（TAU）研究人员开发的一颗新的纳米卫星已由SpaceX猎鹰9号火箭从加州范登堡空军基地发射升空。这颗名为TAU-SAT3的20厘米纳米卫星是以色列第一颗为推进太空光学和量子通信研究而建造的卫星，也是“向展示可靠量子通信迈出的重要一步”。

在550公里的高空，TAU-SAT3将围绕地球运行约五年，执行多项科学任务，同时将光学和无线电通信信号发送回TAU校园楼顶上的光学地面站。

TAU的Noam Eliaz教授表示：“这是以色列第一个光学地面站，也是世界上为数不多的能够锁定、跟踪和收集从地球上看小于一个像素的纳米卫星数据的光学地面站之一。”

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欧盟拨款1900万欧元用于升级量子技术基础设施

为了巩固欧洲量子技术的全球前沿地位，欧盟已拨出1900万欧元的特定拨款协议(SGA)资金，用于升级现有的欧洲微纳米和量子技术基础设施，并通过量子响应不断增长的试验制造服务需求科技公司。该倡议包括来自9个欧洲国家的24个成员组织，由芬兰VTT技术研究中心牵头。

新计划名为Qu-Pilot，将通过为公司提供设计、开发和验证其硬件产品和流程的直接路径来促进这一发展。反过来，这也将加速这些产品的商业化。Qu-Pilot将在未来三年半内致力于量子技术基础设施的开发。

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匹兹堡大学获得美国空军的45万美元资助，开发量子启发程序

匹兹堡大学斯旺森工程学院的研究人员已经从美国空军研究实验室获得了45万美元的资助，用于开发一种受量子启发的计算程序，该程序的性能优于可用于模拟和分析湍流和反应流的程序。

研究人员提出的项目依赖于张量网络理论(TNT)。这种方法包含一类变分波函数，它描述了许多相互作用体的几个量子系统的特性，这些相互作用体具有相似的计算复杂性。研究人员证明了TNT可以成功地模拟不可压缩流体中的湍流。这种类型的项目不仅有利于不同类型湍流动力学的学术研究，也有利于汽车、石油、发电和航空航天工业。

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量子计算与模拟

Quantum computing & simulation

D-Wave和Davidson Technologies签订多年量子计算经销商协议

量子计算公司D-Wave Quantum Inc.和Davidson Technologies, Inc.宣布已经签订多年经销商协议。Davidson是一家为国防部、航空航天和商业客户提供创新工程、技术和管理解决方案的技术服务公司。

该合作关系将在D-Wave即将举行的年度用户大会Qubits上重点介绍，使Davidson能够转售D-Wave的产品和服务，包括Leap™量子云服务。此外，两家公司正在共同努力支持机密的量子混合应用，这是国防项目的重要要求。

Davidson计划利用D-Wave的基于云的量子计算和量子混合求解器服务扩展其先进的智能技术解决方案，以支持美国国防和航空航天工作。量子混合应用程序可以支持各种任务目标，包括供应链优化、物流管理、武器系统优化和车辆路线规划等。

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中科院分形子拓扑序和量子纠错研究获进展

近日，中国科学院理论物理研究所副研究员宋昊与合作者，首次探究了分形子模型作为量子纠错码的理论容错极限。该工作将寻找分形子编码容错极限的问题转化为求解自旋统计模型相变温度的统计物理问题。所需求解的自旋统计模型具有子系统对称性（subsystem symmetry）和随机的多体相互作用，是一类新颖的统计力学模型。

研究表明，通过并行回火蒙特卡罗方法进行数值模拟，可以得到自旋统计模型的相图，进而获得相应的分形子编码容错极限。以最简单的分形子模型——X-cube模型为例，研究进行了详细的计算并与已知的常规三维拓扑编码进行比较，发现了分形子编码拥有更好的容错性，揭示了分形子拓扑序作为量子存储平台的潜力。

相关研究成果作为封面文章，发表在Physical Review Letters上。德国慕尼黑大学、美国麻省理工学院、美国哈佛大学、西班牙马德里大学的科研人员参与研究。

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量子通信与安全

Quantum Communication & Security

QuSecure后量子网络安全解决方案荣获2022年量子计算网络安全奖

后量子网络安全(PQC)公司QuSecure，Inc .宣布其行业领先的PQC解决方案QuProtect荣获2022年网络安全奖，该奖项由1105 Media的Security Today品牌于2022年12月宣布，该品牌是为安全专业人士提供技术、教育和解决方案的领先行业媒体品牌。

QuProtect是业内首个也是唯一一个基于端到端PQC软件的解决方案，专为使用量子安全通道通过量子弹性保护加密通信和数据而设计，荣获量子计算大奖。

QuProtect软件使用端到端的量子安全即服务(QSaaS)架构来解决数字生态系统最脆弱的方面，结合了零信任、下一代后量子密码、量子强度密钥、高可用性、易于部署和主动防御集成到一个全面且可互操作的网络安全套件中。

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量子传感

Quantum Sensing

研究表明，原子钟可在水星和太阳之间探测暗物质

发表在《自然·天文学》上的一项开创性新研究表明，在水星轨道内且非常靠近太阳的地方研究航天器上的原子钟，可能是解开暗物质之谜的关键。这项研究提供了一种可能改变游戏规则的方法来理解这种被认为构成宇宙大部分的难以捉摸和神秘的物质。

一个国际研究团队声称，在太阳系的一个特定区域，即水星轨道和太阳轨道之间，暗物质的密度可能非常大，这意味着对振荡信号异常敏感。这些信号可以被原子钟接收，原子钟通过仔细测量原子中不同状态跃迁时发射的光子频率来运行。原子钟实验附近的超轻暗物质可以修改这些频率，因为暗物质的振荡会略微增加和减少光子能量。

暗物质的密度在太阳系中仅受行星轨道信息的限制。在太阳和离太阳最近的水星之间的区域，几乎没有任何限制。因此，在航天器上进行测量可以快速发现这些模型中暗物质的世界领先限制。

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核心器件

Core Devices

中国科大合作研究首次实现基于新型二维材料非线性的量子光源

中国科学技术大学郭光灿团队与新加坡国立大学合作，使用范德华NbOCl2晶体实现了超薄量子光源，中国科大的任希锋是通讯作者。

二维材料中的层间电子耦合通过堆叠工程实现了可调谐和涌现特性。然而，它也导致二维半导体中电子结构的显著演变和激子效应的衰减，例如当单层堆叠成范德华结构时，过渡金属二硫化物中的激子光致发光和光学非线性迅速退化。

该团队报告了一种范德华晶体二氯化氧化铌(NbOCl2)，以及比单层WS2高三个数量级的可扩展二次谐波产生强度。值得注意的是，在薄至约46 nm的薄片中，强二阶非线性使得能够通过自发参量下转换(SPDC)过程产生相关参量光子对。这是第一个在二维层状材料中明确展示的SPDC源，也是有史以来报道的最薄的SPDC源。他们的工作为开发基于范德化材料的超紧凑片上SPDC光源以及在经典和量子光学技术中的高性能光子调制器开辟了一条途径。

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科学家开发的微型激光芯片可实现高维量子通信

由宾夕法尼亚大学Liang Feng教授的实验室领导的一组研究人员设计并制造了一种超维微型激光器，可以发射具有自旋角动量和轨道角动量的四能级量子系统中任何状态的光子，具有非常高的保真度。这种微型激光芯片可用作自由空间量子密钥分发(QKD)和相干经典通信的光源，特别是用于卫星对地通信或塔对塔通信。

他们的微型激光芯片由III-V族半导体平台上的两个相同尺寸的微型环形谐振器组成。每个环形谐振器都可以承载两种光学模式：顺时针传播模式和逆时针传播模式。这个四能级系统可以用三个耦合球体表示，有六个自由参数可以控制。每个球体都有两个自由参数，类似于地球上的经度和纬度。

该团队展示了他们的方法能够控制所有六个参数并在此四维空间内发出任何状态。这意味着微型激光器可以用作四维qudits分发源，以及相干经典通信中的光源。

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研究人员开发出一种能产生两束纠缠光束的光源

来自巴西圣保罗大学物理研究所(IF-USP)原子和光相干操纵实验室(LMCAL)的研究人员成功开发出一种产生两束纠缠光束的光源。他们的工作发表在《物理评论快报》上。

这个光源是一个光学参量振荡器（OPO），它通常由两个反射镜之间的非线性光学响应晶体组成，形成一个光学腔。当明亮的绿色光束照射在设备上时，晶体反射镜动力学会产生两束具有量子相关性的光束。该团队制造了第一个基于铷原子的OPO，其中两个光束是强量子相关的，并获得了一个可以与其他具有量子存储器潜力的系统相互作用的源，例如冷原子。

在该团队进行这项研究之前，其他团队曾尝试用原子制造OPO，但未能证明产生的光束中的量子相关性。

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美国NIST开发超低损耗的集成光子电路，可应用于量子计算

美国国家标准与技术研究院(NIST)领导的团队已经在单个微芯片上将量子点单光子源与微型电路连接起来，这些微型电路可以引导光线而不会明显损失强度。

为了创建超低损耗电路，研究人员制造了氮化硅波导——光子的通道——并将它们埋在二氧化硅中。这些通道又宽又浅，这种几何形状降低了光子从波导中散射出去的可能性。将波导封装在二氧化硅中也有助于减少散射。

研究表明，他们的原型电路的强度损失仅相当于其他团队制造的类似电路(也使用量子点)的百分之一。最终，采用这种新芯片技术的设备可以利用量子力学的奇怪特性来执行经典电路可能无法完成的复杂计算。

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量子材料

Quantum Materials

科学家创建了首个大型可配置的超导电路光学机械晶格

瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）基础科学学院研究人员建造了第一个大型可配置的超导电路光学机械晶格，可克服量子光学机械系统的扩展挑战。该研究团队实现了光机械应变石墨烯晶格，并使用新的测量技术研究了非平凡的拓扑边缘状态。这项研究发表在最近的《自然》杂志上。

理论研究表明，研究光学机械晶格有望带来大量物理学和动力学方面的创新性发现，如量子集体动力学和拓扑现象。但要在高度可控的条件下造出这种实验性设备，构建可承载多耦合光学和机械自由度的光学机械晶格一直是个挑战。此次，研究人员开发了一种用于超导电路光学机械系统的新型纳米制造技术，这种技术具有高再现性和对单个设备参数的极其严格的公差，使他们能将不同的位置设计成几乎完全相同，就像在自然晶格中一样。

石墨烯晶格具有非平凡的拓扑特性和局部边缘状态。研究人员在他们所谓的“光机械石墨烯薄片”中观察到了这种状态，该薄片由24个位点组成。该团队的测量结果与理论预测非常吻合，表明他们的新设备是研究一维和二维晶格拓扑物理的可靠实验平台。

光学机械晶格的演示不仅提供了在真实的凝聚态晶格模型中研究多体物理的途径，而且当与超导量子比特相结合时，还有望带来一种新型混合量子系统。

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爱达荷国家实验室成立了探索量子力学的新实验室

美国爱达荷国家实验室成立了一个新的实验室，研究人员正计划通过一个可以处理铀和钍等放射性元素的新合成实验室来探索量子力学的前沿。

铀和钍是锕系元素的一部分，它们被用作核动力反应堆的燃料，因为它们可以在特定条件下进行核裂变。然而，这些元素的独特性质，尤其是它们电子的排列，可以表现出有趣的量子力学性质。为了研究这些特性，研究人员围绕分子束外延(MBE)建立了一个实验室，该技术可以创建具有高度纯度和可控性的超薄材料层。

研究人员表示，由锕系元素制成的特殊极薄材料中的粒子行为可以增加我们对量子阱和量子隧穿等现象的理解。

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NV色心自旋与二维自旋系综相互作用带来量子计量和模拟的新平台

在过去二十年里，使用光学和微波辐射操纵和读出金刚石NV色心的量子态的技术已经针对这些缺陷作为磁力计和量子比特的应用进行了微调。一个重要的研究方向涉及理解和控制与环境的相互作用如何影响NV的量子特性。

现在，有两个独立的团队，分别由普林斯顿大学的Nathalie de Leon和加州大学伯克利分校的Norman Yao领导，他们针对与多个应用相关的配置解决了这个问题：NV色心与由不成对的表面电子或金刚石内设计的杂质形成的二维自旋系综相互作用。结果使团队能够开发改进的模型来描述这些相互作用如何影响NV自旋的量子相干性——这些信息可能对在量子计量和量子模拟中使用晶体缺陷产生深远影响。

在de Leon和Yao团队使用的平台中可以产生大量的自旋缺陷，这使得它们比基于俘获离子和中性原子的平台更容易扩大规模——为执行复杂的凝聚-物质量子模拟。通过二维自旋层提高NV传感分辨率的想法可能会导致用于探测外来材料和生物物质的磁性的超灵敏工具。

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香港大学实现了光子和电子之间更强大的相互作用

电子与光子相互作用的方式是许多现代技术的重要组成部分，例如激光、太阳能电池板和LED。现在，香港大学(HKU)、麻省理工学院与合作者已经找到了一种创新的方法，使光子和电子之间更强的相互作用成为可能，这种方法使得一种叫做Smith-Purcell辐射的现象产生的光发射增加了一百倍。

通过计算机模拟和实验室实验的结合，研究团队发现，使用一束电子和专门设计的光子晶体——绝缘体上的一块硅板，蚀刻有纳米级孔阵列——他们在理论上预测了更强的发射比传统Smith-Purcell辐射通常可能达到的数量级高出许多数量级。他们在概念验证测量中通过实验记录了辐射增加一百倍。

他们表示，所涉及的基本原理可能会使用专门针对此功能进行调整的设备来实现更大的增强功能。

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