在量子科学诞生124年后，在一个并非前沿发现、发明和技术辈出的国度，却爆发了一颗“量子科学氢弹”。猜猜是哪个国家？
量子科学的研究始于1900年。在这一年，德国物理学家马克斯·普朗克（Max Planck）提出了能量量子化的概念，这标志着量子论的诞生。自那时起，量子科学经历了广泛而深入的研究，并逐渐发展成为现代物理学的一个重要分支。如今，量子科学已经涵盖了量子力学、量子信息学、量子计算等多个领域，并在科技、工业、通信等领域展现出广泛的应用前景。
中间有锶气体云的玻璃池图片来源：ICFO
突破如今，2024年4月，一颗新星从地平线升起，巴塞罗那光子科学研究所（ICFO）的研究人员取得了令人瞩目的突破。他们开发的QUIONE锶量子气体显微镜，以希腊雪女神喀俄涅命名，昭示了量子计算和量子模拟领域的一大飞跃。作为全球首台能够对单个锶原子成像的量子显微镜，QUIONE的诞生标志着西班牙在该领域的首次重大突破。
QUIONE锶量子气体显微镜利用锶原子进行高分辨率成像和量子模拟，其潜力在前沿量子研究中得到了充分展现。该显微镜能够深入研究材料的微观特性，通过单原子级别的成像技术，为理解复杂物理机制提供了前所未有的机会。
在量子计算领域，QUIONE展现了其独特的优势。锶原子云可以作为原子量子处理器，用于解决当前经典计算机难以处理的问题，如质因数分解等。这一能力对于密码分析、气象预报、资源勘探、药物设计等领域具有深远的影响和潜在的应用价值。
QUIONE的成功并非偶然。其背后是一系列创新技术的支撑，包括超低温环境的创造、光学晶格的利用、量子态的精确初始化、量子纠错码的实施、实时反馈与调整机制的应用、量子算法的优化、硬件的持续改进以及多体量子纠缠的深入研究等。这些技术的综合应用，确保了量子态的精确操控，为量子计算的进一步发展奠定了坚实基础。
实验室地图和量子模拟器的位置 图片来源：ICFO
难题在量子计算领域的应用中，如何确保量子态的精确操控和量子纠错？
在量子计算领域，精确操控量子态和实现量子纠错是两项至关重要的技术挑战。QUIONE项目在应对这些挑战时，采取了一系列创新策略来确保量子态的精确操控，并逐步解决量子纠错的问题。
首先，超低温环境的创建为量子态的稳定性和操控精度提供了基础。通过将锶原子冷却到接近绝对零度的温度，可以显著降低原子热运动带来的噪声，使量子态保持更长时间的相干性。
其次，光学晶格技术为精确操控每个量子比特提供了可能。通过特殊激光激活的光学晶格，可以将锶原子排列成规则的晶格结构，从而实现对量子比特的精确定位和操控。
量子态初始化是量子计算过程中的重要步骤。QUIONE项目采用激光冷却技术和光学晶格相结合的方法，实现了对量子态的精确初始化，为后续的量子操作打下了坚实的基础。
在量子纠错方面，虽然当前的量子系统还未能完全实现通用的量子纠错，但QUIONE项目通过一系列创新方法，逐步提高了量子纠错的能力。这包括使用特定的量子纠错码、开发容错量子计算方案，以及利用多体量子纠缠的特性来提高系统的容错能力。
此外，实时反馈与调整也是确保量子态精确操控的关键。QUIONE项目通过实时监测量子系统的状态，并根据反馈结果动态调整量子操作，以补偿环境干扰或其他误差源的影响。
量子算法的优化也是提高量子计算容错能力的重要手段。通过开发和使用高效的量子算法，可以在不增加额外量子比特资源的情况下，提高量子计算的效率和准确性。
量子硬件的改进同样对量子态的精确操控和量子纠错具有重要影响。随着超导量子比特、离子阱、光量子计算等技术的发展，量子硬件的性能和稳定性得到了显著提升，为量子计算的进一步发展提供了有力支持。
团队成员:Sandra Buob、Antonio Rubio-Abadal、Vasiliy Makhalov、Jonatan Höschele 和 Leticia Tarruell
展望展望未来，QUIONE项目的研究者们满怀期待。他们希望通过这一平台模拟更复杂和奇异的材料，探索新的物质相，并期望获得更多的计算能力，用于模拟量子计算机。随着量子硬件技术的不断成熟和成本的降低，我们有理由相信，量子计算将逐渐从理论走向实际，为人类社会的发展贡献新的动力。
具体而言，QUIONE在量子模拟方面的应用前景极为广阔。它能够模拟复杂的量子系统，为理解物质的微观特性提供新的视角。QUIONE可以解释那些当前传统计算机无法回答的问题，如某些材料在较高温度下的导电性等。此外，QUIONE还能够用于研究超流体特性、拓扑时间晶体等前沿领域，为量子物理学的发展开辟新的道路。
QUIONE锶量子气体显微镜的问世不仅为量子计算和量子模拟领域带来了新的工具和思路，更为量子技术的未来应用奠定了坚实基础。
参考文献:“锶量子气体显微镜”的研究，由Sandra Buob、Jonatan Höschele、Vasiliy Makhalov、Antonio Rubio-Abadal和Leticia Tarruell等人在2024年4月18日发表在《PRX Quantum》杂志
