仰望星空112 Physics World 量子研究最新进展 03

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仰望星空112 Physics World 量子研究最新进展 01

仰望星空112 Physics World 量子研究最新进展 02

David Moore 在 Helgoland 2025 会议上的全景图，他在会上解释了他的团队将如何利用二氧化硅球探测中微子。（图片来源：Matin Durrani）

2025年6月14日 耶鲁大学研究人员称悬浮球体或可在“数月内”探测到中微子

Helgoland 2025 会议标志着量子力学诞生100周年，会议探讨了许多令人费解的基础物理学问题，其中不少内容让我感到困惑。
很高兴能聆听耶鲁大学 David Moore 的精彩演讲，他介绍了一些令人惊叹的实践实验，这些实验利用悬浮的、被捕获的微球作为量子传感器来探测他所谓的“不可见”的宇宙。
如果您觉得这项工作似曾相识，那是因为摩尔的团队凭借其技术探测到单个铅-212原子的α衰变，荣获了2024年《物理世界》年度十大突破奖。
摩尔在黑尔戈兰岛的北海大厅（Nordseehalle）发表了演讲，解释了实验的下一阶段，该阶段最早可能在“几个月内”探测到中微子，最迟“至少在一年内”探测到。
当然，物理学家们已经探测到中微子，但这是一项复杂的工作，通常需要将巨大的设备放置在地下深处，使背景信号最小化。耶鲁大学的装置更便宜、更小巧、更便捷，只需几个实验台即可。
正如摩尔所解释的那样，他和他的同事首先在低压下捕获二氧化硅球，然后去除多余的电子，使其电中和。之后，他们稳定球体的旋转，再将其冷却至微开尔文温度。

阅读更多 图示为一个球体，其中嵌入了一颗放射性粒子，被激光束聚焦并发射出一个α粒子。---物理学家在悬浮球体的反冲中探测到核衰变。

在去年荣获《物理世界》奖的研究中，该团队使用了氡-220样本，氡-220首先衰变为钋-216，然后衰变为铅-212。这些原子核嵌入硅球中，当铅-212衰变时，硅球会反冲并释放出一个α粒子（《物理评论快报》133 023602）。
摩尔的团队能够通过观察光如何从球体散射来测量微小的反冲。“我们可以看到亚原子粒子对较重物体施加的力，”他在赫尔戈兰岛对观众说。“我们可以看到单核衰变。”
现在的计划是将实验扩展到探测中微子。这些中微子（至少在初期阶段）不会是来自太阳穿过地球的中微子，甚至不会是来自核反应堆的中微子。
相反，我们的想法是将经历β衰变的原子核嵌入球体中，在此过程中释放出更轻的中微子。摩尔表示，团队将在一年内完成这项工作，并有朝一日可能用它来探测暗物质。
“我们正在进入量子测量领域，”他说。这是一个简单的概念，即使实验名称——“在微球精密悬浮实验中寻找新的相互作用”（SIMPLE）——并不简单。

本文是《物理世界》对2025年国际量子科学技术年（IYQ）的贡献之一，该年旨在提高全球对量子物理及其应用的认识。

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PQT000117 Yale researcher says levitated spheres could spot neutrinos 'within months' – Physics World

美国超导量子材料与系统 (SQMS) 中心正致力于开发超高品质因数超导腔技术，以开发可扩展的“基于量子比特”的量子计算和通信架构。
SQMS 研究团队
重新构想量子。SQMS 研究团队参与了基于多单元 SRF 腔的量子处理器单元 (QPU) 的测试和开发。从左到右：Tedd Ill、Anna Grassellino、Dominic Baumgart、Alexander Romanenko、Roman Pilipenko、Oleg Pronitchev 和 Andrei Lunin。（图片由费米实验室的 Ryan Postel 提供）

2025年6月5日 超导创新：SQMS 有望在量子计算领域取得可扩展的成功 由 SQMS 中心 – 费米实验室赞助

开发具有高运算保真度、增强处理能力以及固有（和快速）可扩展性的量子计算系统是量子科学界研究人员关注的众多基本问题之一。美国能源部费米国家加速器实验室（位于伊利诺伊州芝加哥郊区，是美国最杰出的粒子物理设施）下属的超导量子材料与系统 (SQMS) 国家量子信息科学研究中心正在探索一条颇具前景的研发途径。
SQMS 的方法是将一个超导量子比特芯片（温度保持在 10-20 mK 左右）放置在三维超导射频 (3D SRF) 腔体中——这是高能物理 (HEP)、核物理和材料科学领域粒子加速器的主要技术。在这种装置中，可以通过将量子态编码到存储在 SRF 腔体（也冷却至毫开尔文温度）内的微波光子（模式）中来保存和操控量子态。
换句话说：通过在低温下将超导电路与SRF腔体配对，SQMS的研究人员创造了微波光子能够拥有较长寿命并免受外部扰动的环境——这些条件反过来又使得生成、操控和读取量子态成为可能。最终目标显而易见：这种高度相干的超导量子比特的可重复性和可扩展性，为更复杂、更可扩展的量子计算操作开辟了道路——这些能力将随着时间的推移，应用于费米实验室在粒子物理学和更广泛的基础物理学领域的核心研究项目。
鉴于费米实验室在开发高相干性SRF腔体方面拥有数十年的专业知识，其在将这一量子技术愿景变为现实方面拥有独特的优势。例如，在2020年，费米实验室的研究人员展示了存储在SRF腔体中的量子态的创纪录的相干寿命（高达两秒）。
“费米实验室成为加速器科学领域超导射频腔技术的先驱并非偶然，”伦敦帝国理工学院物理学高级研究员、超导量子系统（SQMS）顾问委员会成员彼得·奈特爵士解释道。“该实验室拥有一支世界领先的射频工程师团队，他们研制的铌超导腔通常能够实现从1010到1011以上的极高品质因数（Q），这些品质因数可以显著提高相干时间。”
此外，费米实验室还提供了许多引人入胜的高能物理（HEP）用例，量子计算平台可以在这些用例中带来显著的研究成果。例如，在理论研究中，主要的研究方向与量子态的演化、格点规范理论、中微子振荡以及量子场论等相关。在实验方面，量子计算正被用于高能粒子碰撞过程中的喷流和轨迹重建；也用于提取稀有信号以及探索标准模型之外的奇异物理。

合作积累 SQMS 副科学家 Yao Lu（左）和 Tanay Roy（右）与博士生 Taeyoon Kim（中）合作，开发出一种双量子比特超导量子处理器 (QPU)，其相干寿命创下纪录（>20 毫秒）。（图片来源：费米实验室 Hannah Brumbaugh）

腔体与量子比特
SQMS 已在其量子计算路线图上取得了一些显著突破，尤其是基于芯片的 transmon 量子比特（一种对噪声敏感度降低的电荷量子比特电路）的演示，该量子比特在相干性方面实现了系统性和可重复性的提升，其寿命超过一毫秒，并且性能波动有所降低。
成功的关键在于材料科学领域的广泛合作以及新型芯片制造工艺的开发，由此产生的 transmon 量子比特辅助设备将成为 SQMS 倡导的基于 3D SRF 腔体的量子计算平台的“神经中枢”。目前正在研发的本质上是一种独特的经典计算架构的量子模拟：transmon芯片提供一个具有逻辑功能的中央量子信息处理器，并在三维SRF腔中将微波光子（模式）用作随机存取量子存储器。
就其底层物理而言，transmon量子比特与SRF腔中离散光子模式之间的耦合实现了相干量子信息的交换，并实现了两者之间的量子纠缠。“其回报是可扩展性，”领导SQMS量子技术项目的费米实验室高级科学家Alexander Romanenko说道。“单个具有逻辑功能的处理器量子比特，例如transmon，可以耦合到多个腔模式，充当存储量子比特。”
原则上，单个transmon芯片可以操控单单元SRF腔内编码的超过10个量子比特，随着量子比特数量的增加，系统控制和操控所需的微波通道数量将显著减少。 “更重要的是，”Romanenko补充道，“我们不用在传输器中使用量子态（相干时间刚好跨越到毫秒级），而是可以在SRF腔体中使用量子态，这样可以拥有更高的品质因数和更长的相干时间（最长可达两秒）。
就后续步骤而言，持续改进辅助传输器相干时间对于确保组合系统的高保真运行至关重要——而材料方面的突破很可能是决定速率的关键一步。“SQMS项目的独特优势之一在于，它‘全力以赴’地理解和掌握导致超导量子比特损耗和噪声的基本材料特性，”Knight指出。“没有捷径：根据SQMS实施的项目，广泛的材料物理实验和理论研究对于将超导量子比特扩展到工业和科学上有用的量子计算架构至关重要。”
SQMS 的研究人员最近在超导量子技术领域取得了重大里程碑，他们开发出了迄今为止寿命最长的多模超导量子处理器单元 (QPU)（相干寿命 >20 毫秒）。该处理器基于一个双单元 SRF 腔体，并利用其极高的品质因数（约 1010），将量子信息保存的时间远远超过传统超导平台（同类最佳方案通常为 1 或 2 毫秒）。
结合超导传输器 (transmon)，该双单元 SRF 模块能够通过超快控制/读出方案精确操控腔体量子态（光子）（允许在量子比特寿命内进行约 104 次高保真操作）。“这对 SQMS 来说是一项重大成就，”费米实验室副科学家、SQMS QPU 连接和传输联合负责人姚璐说道。我们已经证明了能够创建高保真度（>95%）、光子数较大的量子态（20 个光子），并实现了模式间超高保真度（>99.9%）的单光子纠缠操作。这项工作最终将为可扩展、抗误差的量子计算铺平道路。

SQMS 多量子比特量子处理器原型
可扩展性思维 SQMS 多量子比特量子处理器原型（上图）利用保持在毫开尔文温度下的 3D SRF 腔体。（图片来源：费米实验室 Ryan Postel）

利用量子比特快速扩展
发展势头强劲，这些最新突破为 SQMS“基于量子比特”的量子计算和通信架构奠定了基础。量子比特是一个多级量子单元，可以包含两种以上的状态，从而容纳更大的信息密度——也就是说，与其使用大量量子比特来扩展信息处理能力，不如维护较少数量的量子比特（每个量子比特容纳更大范围的值以优化计算）可能更有效。
SQMS 已通过多种并行途径（所有途径均考虑模块化计算架构）将多量子比特量子处理器系统扩展至多量子比特系统。其中一种方法是，耦合器元件和低损耗互连集成一个九单元多模SRF腔（存储器）到双单元SRF腔量子处理器。另一个迭代方案仅使用双单元模块，而另一个方案则利用定制设计的多模腔（10+种模式）作为构建模块。
有一点是明确的：随着首批QPU原型的测试、验证和优化，SQMS将很快进入组装并投入运行的阶段。此外，SQMS工作还涵盖控制系统和微波设备的关键发展，其中许多设备必须实现最佳同步才能在QPU中编码和分析量子信息。
沿着相关坐标系，复杂算法可以从更少的所需门和更低的电路深度中受益。此外，对于高能物理（HEP）和其他领域的许多模拟问题而言，多级系统（量子比特）——而不是量子位——显然能够更自然地表示正在发生的物理现象，从而使模拟任务更加易于理解。将几个这样的问题编码成量子比特的工作——包括格点规范理论计算等相关研究也在 SQMS 内部进行。
总而言之，这项涵盖量子硬件和量子算法的大规模研发工作，只有在战略和实施层面采用“协同设计”才能取得成功：从识别更广泛的高能物理 (HEP) 社区感兴趣的应用，到全面部署量子处理器 (QPU) 原型。协同设计尤其适合这些工作，因为它要求科学目标与技术实施持续保持一致，以推动创新和社会影响。
除了量子计算的潜力之外，这些基于腔的量子系统还将在高温下发挥核心作用，既可用作“适配器”，又可在高温下提供低损耗通道，用于连接不同制冷机中基于芯片或腔的量子处理器 (QPU)。这些互连将为超导量子处理器高效扩展至更大规模的量子数据中心提供必要的基础构件。

量子洞察：研究人员在 SQMS 量子车库设施的控制室里，为 SQMS 硬件开发针对 HEP 量子模拟的架构和门电路。从左到右：Nick Bornman、Hank Lamm、Doga Kurkcuoglu、Silvia Zorzetti、Julian Delgado、Hans Johnson（图片由 Hannah Brumbaugh 提供）

“SQMS 合作正在开辟自己的道路——以一种量子领域其他任何人都无法企及的方式，”Knight 说道。“至关重要的是，SQMS 的合作伙伴可以利用国家实验室系统卓越的工程实力，实现规模化生产。几十年来，设计、调试和实施大型机器一直是费米实验室的‘日常工作’之一。相比之下，许多量子计算初创企业必须从远欠发达的基线开始扩展其研发基础设施和工程能力。”
然而，最后发言权属于 Romanenko。他总结道：“关注这个领域，因为SQMS正在蓬勃发展。我们不知道哪种量子计算架构最终会胜出，但我们将确保基于腔的量子系统能够发挥赋能作用。”

规模化：从量子比特到量子位

左图：SQMS 中心超导 TESLA 腔与一个 transmon 辅助量子比特（由人工智能生成）耦合的概念图。右图：一个具有两个能级（基态∣g⟩和激发态∣e⟩）的辅助量子比特用于控制腔谐振器中编码的高相干性 (d+1) 维量子比特。辅助量子比特能够实现量子比特的状态准备、控制和测量。（图片来源：费米实验室）

由 SQMS 中心 – 费米实验室赞助

PQT000116 Superconducting innovation_ SQMS shapes up for scalable success in quantum computing – Physics World