2020年,量子领域发生了许多重大突破, 中国实现量子优越性、IBM继霍尼韦尔后宣布其量子计算机达到128量子体积、IonQ宣布其量子计算机预期将达到400万量子体积、谷歌实现最大规模量子化学模拟等等,任何技术的进步背后都离不开人们付出的艰辛努力,这些事件背后的书写者同样值得铭记。

依据学科背景及成果、行业影响力、人才教育、创办公司及其未来思考,光子盒年度系列遴选出量子领域十大人物,排名不分先后,仅按姓氏首字母顺序。

此次遴选视角放置于全球,国内外量子各领域前沿的领头人均有涉及。除了推动行业发展的带头人,也包括推动量子计算商业发展的洞察者,以及不那么为公众所知仅专注于研究的科学家。

Frank Arute是纯粹的技术型人才,一心专注于研发,并无其他任职。

2019年,谷歌发布53量子比特处理器“ Sycamore”,宣告实现“量子霸权”,而Frank Arute是证明这一成果论文的第一作者。

2020年,arxiv网站上显示,仅这一年,Frank Arute就发表了3篇第一作者身份的论文和1篇第二作者身份的论文。

论文中展示了其具体的实现方法。通过使用量子设备对分子电子能量进行Hartree-Fock计算,并通过变分量子本征求解(VQE)来进行纠错处理完善其性能,来实现对化学过程进行准确的计算预测,这将为研发性能未知的多种新材料打开大门。

12月,Frank Arute最新发布了一篇关于使用本征能量精确计算材料电子性质的论文。

根据公开的论文,Frank Arute及其同事使用18个超导量子比特,为可编程和更精确的量子物质模拟器提供了一个实验方法,并演示了如何探测基本的电子性质。研究结果证明了退相干和读出误差大大减小,并且在测量该线弧度的精度,而典型的能量标度是1弧度。

除此以外,他们重建了本征态的电子性质,观察到持续电流和伴随着附加无序电导下的强烈抑制。这项工作描述了一种精确的量子模拟方法,并为利用超导量子比特研究新型量子材料奠下了基础。

IBM量子计算副总裁,美国物理学会会员,APS量子信息部副主席,《自然》合作杂志《量子信息》的副主编。

Jay Gambetta具有较强的超导量子计算学科背景。今年他署名的论文共有9篇,主要是关于实现量子计算机的问题研究,包括减小多量子比特设备的测量误差、使用随机模型电路验证量子计算机、实现具有固定频率量子比特的全微波双量子比特门的交叉共振相互作用等等。

2011年,Gambetta进入了IBM,开始基于超导量子比特构建量子计算机的工作。自2013年以来,他一直是IBM量子计算理论团队的管理者。他在量子验证技术、量子代码、改进的门和相干性以及量子计算的近期应用方面做了大量贡献。此外,他还是“IBM Q Experience”团队的领导者。

硬件方面,先是在1月宣布其量子计算机量子体积达到32,后在8月宣布其量子计算机量子体积达到64,虽然较霍尼韦尔晚了2个月。9月,发布了65位量子比特处理器Hummingbird,预计在明年推出127位量子比特处理器Eagle。12月,Gambetta在推特官宣了其量子计算机“IBM Q System One Montreal”已达到128量子体积。

对于未来,一方面,IBM将改进混合经典/量子计算步骤,他们将改进分为两个阶段,称之为混合算法的近时经典(near-time classical)和微秒级量子比特控制的实时经典(real-time classical);

另一方面,在IBM发布的技术路线个量子比特,最终实现百万量子比特以上级别的量子计算设备。Gambetta也将带领着团队稳步实现这两个目标,从而完成IBM在量子领域的布局野心。

中国科学技术大学教授,九三学社中央青年工作委员会副主任,全国青联常委,安徽省政协委员,上海市青联副主席。

2020年,美国光学学会及美国物理学会分别授予陆朝阳教授2020年度阿道夫隆奖章(Adolph Lomb Medal)及“兰道尔—本内特量子计算奖”,表彰他“在光学量子信息技术领域,特别是在高性能单光子源、量子隐形传态和光量子计算方面的重要贡献。

陆朝阳28岁就成为中科大的教授,被称为量子鬼才,主攻光学量子计算和超导量子计算这两个方向。

在多光子纠缠和光学量子计算领域,陆朝阳及其同事依次完成了六光子纠缠、八光子薛定谔猫态、十光子纠缠和十八个光量子比特的纠缠。

在实现固态体系高品质单光子源和可扩展量子计算的领域,陆朝阳及其同事逐步研制了确定性偏振、高纯度、高全同性和高效率的国际最高性能单光子源。17年利用高品质量子点单光子源构建了用于玻色取样的多光子可编程量子计算原型机,这是国内第一台超越早期经典计算机的光量子计算机;19年实现了20光子输入60模式干涉线路的玻色取样,这为今年“九章”的诞生奠下了基础。

今年,潘建伟、陆朝阳团队成功构建了76个光子100个模式的高斯玻色取样量子计算原型机。根据目前最优经典算法,“九章”对于处理高斯玻色取样的速度比目前世界排名第一的超级计算机“富岳”快一百万亿倍,等效地比谷歌去年发布的53比特量子计算原型机“Sycamore”快一百亿倍。

在实现量子霸权后,对于未来,陆朝阳则是肩负着传承与发展的重担,进一步研究能够解决更重大现实问题的量子计算机,最终目标是实现容错量子逻辑门,研制可编程的通用量子计算原型机。

IonQ创始人,美国国家科学院院士,马里兰大学电气和计算机工程教授,杜克大学电子、计算机工程与物理学教授。

上榜理由:引领IonQ制造出400万量子体积的量子计算机√致力于培养量子领域人才√

Chris Monroe一直专注于离子阱技术。2000年, Monroe在密歇根大学成立了一个研究小组,并带领小组实现了第一个集成在半导体芯片上的离子阱。随后与Wineland一起,Monroe提出了一种基于复杂离子阱芯片的可扩展量子计算机体系结构。

2015年,Monroe与合伙人一同创立了量子计算初创公司IonQ,该公司专注于离子阱量子计算机。

今年10月,IonQ宣布制造出了世界上最强大的量子计算机,该量子计算机具有所谓的“32个低量子门错误的完美量子比特”,预期其量子体积超过400万,而这远远高于霍尼韦尔和IBM的128量子体积。IonQ在Monroe的带领下,专注技术及硬件,因此也成为最具潜力的初创公司。

培养量子领域人才方面,已经是密歇根大学聚焦中心的主任、马里兰大学的 Bice Seci-Zorn物理学教授以及马里兰大学和NIST联合量子研究所联合研究员的Monroe,他将于2021年1月加入杜克大学,担任电子、计算机工程与物理学教授,并领导杜克大学量子中心,更进一步推动量子领域的教育和人才培养。

引领科技创新方面,他的团队率先将离子阱技术用于量子模拟,并提出和迈向了可扩展、可重构和模块化量子计算机的第一步。

今年,Chris Monroe领导的马里兰大学联合量子研究所的一项重大工作是,他们向容错量子设备又迈进了一步,而容错量子设备是制造实用量子计算机的关键因素。

这项研究发表在Arxiv上,研究人员说,他们通过实验演示了容错准备、旋转和综合错误的提取和测量,这些都是用9个量子比特的Bacon-Shor编码的逻辑量子比特来进行的。结果表明,一个编码的逻辑量子比特,其逻辑保真度超过了用来创造它的纠缠操作的保真度。

另外,与Chris Monroe合作的杜克大学研究团队设计出了在超低温度下运行的32量子比特离子阱量子计算机寄存器。这些量子比特可全连接,即任意两个比特可以直接相互作用。

为了获得干净的激光束并最大限度地减少误差,研究人员使用光子晶体光纤连接拉曼光学系统的各个部分,该系统驱动量子比特门,激光束以单模光纤的形式传输到系统中。他们采用了实现光学系统的新方法,从根本上消除了机械和热不稳定性,从而为离子阱量子计算机创建了一个交钥激光装置。

未来,Chris Monroe将继续专注离子阱量子计算机的研发工作,同时进一步培养量子领域人才。

中国科学技术大学教授,中国科学院院士,发展中国家科学院院士,奥地利科学院外籍院士,中科院量子信息与量子科技创新研究院院长,中科院量子科学实验卫星先导专项首席科学家。

上榜理由:带领国内量子领域全面发展√光量子计算机“九章”问世,实现量子霸权√

作为国内量子领域的带头人,潘建伟自始至终走在行业的最前端。2016年,“墨子号”量子科学实验卫星发射成功;2017年,世界首条远距离量子保密通信骨干网线“京沪干线年,“墨子号”量子卫星成功实现洲际量子密钥分发;2019年,在光量子计算领域取得重要突破:态空间维数提高百亿倍,玻色取样逼近里程碑。

2020年,潘建伟带领着团队在量子领域全面开花,在量子通信、量子计算、量子测量等研究领域依旧保持着长足的进步,其中最引人注目的当然是光子量子原型机“九章”的发布。

量子通信领域,2月,潘建伟、包小辉、张强等与济南量子技术研究院和中科院上海微系统与信息技术研究所合作,实现相距50公里光纤的存储器间的量子纠缠;3月,潘建伟、张强、陈腾云等与清华大学王向斌、马雄峰合作,分别实现了500公里量级真实环境光纤的双场量子密钥分发(TF-QKD)和相位匹配量子密钥分发(PM-QKD);6月,潘建伟团队利用“墨子号”量子科学实验卫星,在国际上首次实现量子安全时间传递的原理性实验验证,为未来构建安全的卫星导航系统奠定了基础;随后,潘建伟及其同事彭承志、印娟等联合牛津大学Artur Ekert、中科院上海技术物理研究所王建宇团队、微小卫星创新研究院、光电技术研究所等相关团队,利用“墨子号”量子科学实验卫星在国际上首次实现千公里级基于纠缠的量子密钥分发。

量子计算领域,主要是两个方向,一个方向是超冷原子量子计算,另一个方向是光子量子计算。

超冷原子量子计算方向:6月,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,为基于超冷原子光晶格的规模化量子计算与模拟奠定了基础;11月,团队与德国海德堡大学、意大利特伦托(Trento)大学的合作者共同开发了一种专用的量子计算机——71个格点的超冷原子光晶格量子模拟器,对量子电动力学方程施温格模型(Schwinger Model)进行了成功模拟。

光子量子计算方向:12月,潘建伟团队与中科院上海微系统所、国家并行计算机工程技术研究中心合作,构建了76个光子的量子计算原型机“九章”,实现了具有实用前景的“高斯玻色取样”任务的快速求解,这一成果让中国无限逼近量子霸权,相比谷歌的“量子优越性”大概可以快100万倍,实现了100亿倍于谷歌的速度。

量子测量领域,10月,潘建伟、陆朝阳等与美国普林斯顿大学Marlan Scully、德国维尔兹堡大学Sven Hofling等合作,在同时具备高纯度、高不可分辨、高效率的单光子源器件上观察到强度压缩,为基于单光子源的量子精密测量奠定了基础;12月,潘建伟及其同事陈宇翱、徐飞虎等利用多光子量子纠缠在国际上首次实现分布式量子相位估计的实验验证,这为将来构建基于量子网络的高精度量子传感奠定基础。

90年代末潘建伟在奥地利因斯布鲁克大学攻读博士学位,他至今还记得第一次见到Zeilinger教授时的情景。Zeilinger教授问他:“你的梦想是什么?”潘建伟回答:“在中国建一个像您这里一样的世界一流的量子物理实验室。”

如今,潘建伟成功搭建了世界一流的量子物理实验室,储备了大量的人才,成立了多个研究小组,让青年人才能够有独当一面的机会;同时积聚最前沿的人才与技术,不断牵桥搭线,以自身的特长与国外实验室形成知识和人才的互换互补,建立合作,全面推进量子领域的发展。

下一步,对外对标全球最领先的量子技术和更加完善的产业,对内继续储备人才和发展技术。令人欣慰的是,相比二十年前的孤身奋斗,如今潘建伟身边已经拥簇了许多量子领域的未来之星。

新南威尔士大学(UNSW)Scientia教授,硅量子计算公司(SQC)创始人,伦敦皇家学会成员,美国艺术与科学研究院研究员。

Michelle Simmons教授是新南威尔士大学(UNSW)量子计算和通信技术卓越中心的主任,也是澳大利亚研究委员会的获奖者。她在国际上开创了在原子尺度上用硅制造电子器件的独特技术,包括世界上最小的晶体管、最窄的导线D原子电子学和第一个实现在硅原子量子比特之间的双量子比特门。作为硅量子计算公司(SQC)公司的创始人,她的团队处于开发硅基量子计算机的前沿。

2018年11月,Michelle Simmons教授的团队展示了一种紧凑的传感器,该传感器可访问存储在单个原子电子中的信息,这一突破使基于硅的可扩展量子计算又迈进了一步。

同年,Michelle Simmons教授的团队完成了在硅原子量子比特之间的第一个双量子比特门,这是该研究团队建造原子级量子计算机的一个重要里程碑,主要的研究成果于2019年7月17日发表在Nature期刊上。

2019年1月,Michelle Simmons团队展示了世界上第一个3D原子级量子芯片架构,该团队已证明他们可以将其原子量子比特制造技术扩展到多层硅晶体。该小组成为第一个展示在3D设计中使用原子级量子比特与控制线(本质上是非常窄的线)对齐的架构可行性的团队。

今年2月,量子计算和通信技术卓越中心(CQC2T)的研究人员与硅量子计算公司(SQC)合作,找到了将量子比特定位在硅中以扩展基于原子的量子处理器的“最佳位置”。

Michelle Simmons率先提出通过将磷原子精确地放置在硅中来创建量子比特,这是研制硅量子计算机中的首创方法。

10月,硅量子计算公司(SQC)宣告实现了硅原子双量子比特99.99%的超高保真度,打破了当前公布的谷歌Sycamore最大99.64%双量子比特保真度的最高记录。

为了执行大规模量子计算所需的计算,双量子比特门需要超过99%的保真度。Simmons 教授领导的小组发现,读取量子信息的时间长短也是影响保真度的一个关键因素。

他们通过一系列实验发现,量子计算需要在极短的时间内完成,这样噪声就不会随着时间的推移而给计算带来误差。Simmons 教授表示: 通过结合在1微秒内读出量子比特以及最低的电荷噪声研究,可实现硅原子双量子比特99.99% 的保真度。

未来,Michelle Simmons将带领量子计算和通信技术卓越中心(CQC2T)和硅量子计算公司(SQC)的研究人员,制造出第一台有用的商业硅量子计算机。而硅量子计算公司(SQC)的目标则是建造最高质量、最稳定的量子处理器。

加州理工学院物理学教授,阿斯彭物理中心的成员,高等工程计算卓越论坛的顾问团成员。

Maria Spiropulu是加州理工学院物理学教授,她在强子对撞机数据中首次使用了双盲数据分析方法,通过使用缺失的能量寻找超对称暗物质而获得的结果是迄今为止最受认可的结果。

据公开信息,今年Maria Spiropulu署名的论文共有9篇,主要是关于量子机器学习算法、量子互联网以及高能物理探测器中的粒子研究。Spiropulu研究的重点是量子网络,关于量子网络的最新结果于今年12月公布。

在她的领导下,由加州理工学院(Caltech)、NASA喷气推进实验室(JPL)和费米国家实验室组成的研究团队已经建立了两个试验台,使用现成的材料和最先进的量子设备,在44公里的距离内准确地传送量子信息。

在发布的研究论文中,研究人员使用光纤耦合设备,包括最先进的低噪声超导纳米线单光子检测器和现成的光学器件,他们可以以1536.5 nm电信波长处实现时域量子比特的量子隐形传态。他们测得隐形传线%,这与他们系统的分析模型一致,其中包括现实的误差。

为了证明设备与已部署的量子网络的兼容性,他们在22 km的单模光纤上传送量子比特,同时在另外22 km的光纤上传送量子比特。这项研究是建立未来量子互联网的重要一步,量子互联网将彻底改变安全通信、数据存储、精密传感和计算领域。

Maria Spiropulu教授披露,该项目预计在2021年第二季度完成系统升级后,结果将进一步改善。未来,她将带领团队进一步建设量子网络,而这既推动了基础量子信息科学的发展,又促进了先进量子技术的发展。

与其他人不同的是,Tony Uttley并非量子领域的前沿科学家。追溯他的过往经历,Uttley先是在NASA工作了10年,后在波士顿咨询集团工作了7年。大约10年前,Uttley加入霍尼韦尔,经过一系列职位变更,他最终担任霍尼韦尔量子解决方案部门总裁。

如今在Tony Uttley的带领下,霍尼韦尔今年先是发布了6量子比特、量子体积为64的离子阱量子计算机H,随后又推出了10量子比特、量子体积为128的离子阱计算机H1,并制定下了在未来五年内将其量子体积每年增加一个数量级的目标。

霍尼韦尔量子计算机的亮点在于,它拥有质量最高、错误率最低的可用量子比特,而且使用相同的、全连接的量子比特和精确控制的组合。这也是他们在着手建立量子计算机时,想要以此制胜,并最终选择离子阱技术路线的原因之一。

对于未来,Uttley以他敏锐洞察力,强调了建立霍尼韦尔量子计算机周围生态系统的重要性。同样,随着量子技术的发展,最稀缺的资源是人手,霍尼韦尔也将重视人才储备这一问题。他认为,量子领域下一个容量限制在于量子计算系统本身。因此,霍尼韦尔将与各领域公司建立合作,以提高自身抗风险能力。

中国科学院院士,美国物理学会会员,北京量子信息科学研究院院长,南方科技大学校长。

2020年2月,薛其坤院士与美国阿贡国家实验室的Vinokur博士和德国马普学会固体化学物理研究所的Steglich教授共同获得2020年度菲列兹·伦敦奖。薛其坤是自1957年该奖设立以来,首个获得这一荣誉的中国科学家,第二个来自亚洲地区的科学家。随后,奖项接踵而至,薛其坤院士先后获得北京市突出贡献中关村奖以及2020年“复旦—中植科学奖”。

在薛其坤院士的科学研究中,最重大的是发现了一个全新的科学效应——量子反常霍尔效应。

薛其坤院士率领的团队耗时 4 年,试验了上千个样品,于2013年终于找到了一种叫做磁性拓扑绝缘体薄膜的特殊材料,并从实验中观测到量子反常霍尔效应。这项重大基础物理学成果被诺贝尔物理奖获得者杨振宁称为是“诺贝尔奖级的物理学论文”。

该项目取得的成果为多种新奇量子现象的实现铺平了道路,可用于开发拓扑量子计算和新原理的低能耗电子学和自旋电子学器件。它将会推动新一代的低能耗晶体管和电子学器件的发展,可能加速推进信息技术革命的进程。

今年3月,薛其坤教授领导的中德合作团队,打破了此前理论的限制,首次在具有高对称性的材料——锡烯薄膜——中观测到了数倍于理论预期的临界磁场,并清晰地观测到了温度逼近绝对零度时临界磁场的发散行为,给出了伊辛超导非常强的证据。相关研究成果以《锡烯薄膜中的第二类伊辛配对机制》(“Type-II Ising pairing in few-layer stanene”)为题在线发表于《科学》(Science)上。

薛其坤院士最为人津津乐道的一点,是其严谨的科研作风,十年如一日的“7-11”极致精神,也正是这种坚持带领他通往了最后的成功之路。早年留学期间,薛其坤每天早上7点进实验室,晚上11点才出来,“7-11”极致精神由此而来。多年来,他几乎没有休息过一个完整的假期和周末。

另一个值得关注的点是,薛其坤院士今年被调往南方科技大学任职校长。根据目前的一系列行动,未来他将完善大科学装置搭建,引进人才,解决各层次带头人的问题,推动量子领域学科发展与创新。

美国国家科学院院士,中国科学院外籍院士,任职于美国科罗拉多大学博尔德分校。

叶军院士凭借其在在量子精密测量方面的突破性成就,特别是在开发极其稳定和精确的光学原子钟方面的成就,于今年12月获得了2020年度“墨子量子奖”,

叶军院士主要从事超冷原子-分子、精密测量、多体量子物理、激光技术等领域研究。他基于在超冷原子、相位稳定激光等领域的突破,发展了世界上最精确的原子钟,做出了许多世界首创的研究工作。

今年6月,叶军院士和他的团队展示了一种利用分子结构特性的、具有一个核自旋和一个电子驻留在相同能级上的新型激光冷却技术,实验中使用的是一氧化钇(YO)中的钇原子。利用钇原子的不寻常结构,该团队使气体分子在激光冷却中达到了超低温和破纪录的高密度。他们的发现发表在6月3日的《物理评论X》上。

11月,美国天体物理联合研究所(JILA)的科学家们使用最先进的原子钟缩小了暗物质的搜索范围。而这次是首次使用更高光学频率的新型原子钟执行搜索任务,作为JILA研究员的叶军院士对此亦有贡献。

12月,叶军院士和他的团队共发表了3篇论文。第一篇和第二篇论文是同一个成果的上下篇。

第一篇是关于制作超冷分子气体。叶军院士和他的同事们开发了 开启 超冷分子的量子气体的工具,获得了长距离分子相互作用的控制权,以实现量子计算和模拟的数据编码等潜在应用。

第二篇详述了这种电开关对于分子化学反应速率的影响。在改变电场的过程中,研究人员发现了一种特殊的共振现象。在共振点附近,叶军团队发现仅仅将电场强度调节几个百分点,就可以导致化学反应速率近千倍的变化。

第三篇是关于更精确的原子钟研究。由于光学原子钟只能在原子需要“重置”之前进行几秒钟的测量,科学家们正在不断探索增加相干时间的方法。利用光镊技术,叶军团队、Aaron Young以及考夫曼团队的其他成员一起在创造了超过半分钟的相干时间的纪录。

在培养人才方面,叶军院士为我国培养了一批年轻学者,其中包括多名青年千人。他还对上海交通大学、华东师范大学、山西大学、中科院武汉数学物理研究所等的物理学科发展做出了重要贡献。

未来,任职于科罗拉多大学博尔德分校的叶军院士,将领导该校一个新的量子科学和工程研究中心。这个新的中心将与美国和其他国家11个研究机构结成伙伴关系,将共同探索几个量子领域的重大问题。这些问题包括例如量子纠缠的量子基本现象、量子传感如何帮助研究人员发现新的基础物理以及研究人员如何将这些进步转化为现实世界的技术等。

国内的科学家除了入选本次十大人物的以外,还有如郭光灿教授、朱晓波教授、杜江峰教授、尤立星教授、彭承志教授和郭国平教授等等,同样在量子领域深耕细作,做出了许多推动未来发展的重要贡献。

另外,一些带领商业公司发展量子信息的首席科学家们,同样在为量子商业化应用努力。如BATH量子领域的首席科学家:施尧耘,段润尧,张胜誉和翁文康、英特尔的量子计算机硬件总监James Clarke、微软研究院的量子系统负责人Krysta Svore以及谷歌高级研究科学家Marissa Giustina博士等等。

1930年秋,第六届索尔维会议在布鲁塞尔召开。早有准备的爱因斯坦在会上向玻尔提出了他的著名的思想实验——“光子盒”,公众号名称正源于此。

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