什么是量子纠缠……心灵感应
量子纠缠颠覆传统世界
“所谓量子纠缠现象，就是两个共同来源的微观粒子，无论它们分开多远，一旦其中一个粒子发生变化，会立即影响到另一个粒子。
所谓“量子纠缠”，好比是量子世界中存在一种类似“心灵感应”的现象。它的概念，来源于爱因斯坦等人在1935年提出的EPR悖论。这个悖论显示，在量子力学中，两个曾经相互作用过的粒子，无论相隔多远，其量子状态仍有能力“纠缠”在一起，共享同一个整体的物理状态。
@段旭初 #读书[超话]##段旭初国庆读书会#
2022年诺贝尔物理学奖授予法国科学家阿兰·阿斯佩（Alain Aspect）、美国科学家约翰·克劳瑟（John F. Clauser）和奥地利科学家安东·塞林格（Anton Zeilinger），以表彰他们为量子纠缠实验、证明违反贝尔不等式和开创性的量子信息科学所作出的贡献。
拿两个处在“纠缠态”的电子来说，它们的自旋运动方向相反、速度相同，即使相隔距离比银河系直径还大，只要一个的自转方向改变，另一个必定随之改变，其中没有任何时间差。
当然，之所以被称之为悖论，是因为当时科学的局限性，爱因斯坦等人认为量子理论是“不完备”的，纠缠的粒子之间存在着某种人类还没观察到的相互作用或信息传递，也就是“隐变量”。
到了上世纪60年代，爱尔兰的实验物理学家约翰·贝尔提出了一个可用来验证量子力学的贝尔不等式。根据它，物理学家就可以设计实验进行定量验证。如果贝尔不等式始终成立，那么量子力学可能被其他理论替代。
好像一对孪生儿，彼此存在‘心灵感应’。”李政道研究所量子基础科学研究部的李政道学者钟瑞丹认为，这种纠缠现象，别说对于老百姓，对于科研工作者也是很神奇的。
她给学生打了一个比方：地球上有一对夫妻，丈夫去太空参加星球大战，不幸战死。那么在地球上，他的妻子在丈夫战死的一瞬间就成为一个寡妇，也就是说两人的状态同时发生了变化。钟瑞丹说：“我们只需要有办法探测地球上妻子的状态，到底是在婚还是守寡，就能判断遥远的星球上发生了怎样的战事。妻子与丈夫之间某种纠缠关系就类似于量子纠缠。”
量子科学应用价值巨大
在三位诺奖得主理论和实验贡献的支撑下，量子信息科学的应用价值日益显现。
利用量子叠加态等科学原理，人们可以进行量子保密通信。潘建伟院士解释，经典通信的信号只有0和1，发生窃听时，这两种信号都不会被扰动。量子通信与之不同，不但有信号0和1，还有0+1、0-1等量子叠加态。根据量子力学的不确定性和不可克隆原理，量子信号一旦被窃听，量子叠加态就会受到扰动，有可能“塌缩”成另一种量子态。这样一来，通信双方就能立即察觉。
2016年8月，我国首颗量子科学实验卫星“墨子号”发射成功，实现了星地之间1000公里级量子纠缠、密钥分发及隐形传态。“墨子号”还实现了中国和奥地利之间长达7600公里的洲际量子密钥分发，并利用共享密钥完成了加密数据传输和视频通信。这项成果为未来构建全球量子通信网络奠定了基础。
与量子通信相比，量子计算是一个更热门的前沿科技领域。根据量子叠加态原理，一个粒子可以既处于“0”又处于“1”的状态，两个处于叠加态的粒子发生量子纠缠后，就会有4种状态（2的2次方）。如果100个粒子发生量子纠缠，则会出现2的100次方种状态。如此海量的状态，可以让量子计算机拥有超强的并行计算能力。
《量子信息和量子技术白皮书（合肥宣言）》预测，量子计算研发分为3个阶段：第一阶段是实现量子优越性，即针对特定问题的计算能力超越经典超级计算机；第二阶段是实现具有应用价值的专用量子模拟系统；第三阶段是实现可编程的通用量子计算机，这需要全球科技界的长期努力。
预计未来10—20年内，一批专用量子模拟系统将研发成功，用于催化化学反应模拟、高温超导材料制备等科研工作。它们的运算效率有望比经典计算机高得多，从而大幅提升这些领域的科研效率。
量子纠缠颠覆传统世界
“所谓量子纠缠现象，就是两个共同来源的微观粒子，无论它们分开多远，一旦其中一个粒子发生变化，会立即影响到另一个粒子。
所谓“量子纠缠”，好比是量子世界中存在一种类似“心灵感应”的现象。它的概念，来源于爱因斯坦等人在1935年提出的EPR悖论。这个悖论显示，在量子力学中，两个曾经相互作用过的粒子，无论相隔多远，其量子状态仍有能力“纠缠”在一起，共享同一个整体的物理状态。
@段旭初 #读书[超话]##段旭初国庆读书会#
2022年诺贝尔物理学奖授予法国科学家阿兰·阿斯佩（Alain Aspect）、美国科学家约翰·克劳瑟（John F. Clauser）和奥地利科学家安东·塞林格（Anton Zeilinger），以表彰他们为量子纠缠实验、证明违反贝尔不等式和开创性的量子信息科学所作出的贡献。
拿两个处在“纠缠态”的电子来说，它们的自旋运动方向相反、速度相同，即使相隔距离比银河系直径还大，只要一个的自转方向改变，另一个必定随之改变，其中没有任何时间差。
当然，之所以被称之为悖论，是因为当时科学的局限性，爱因斯坦等人认为量子理论是“不完备”的，纠缠的粒子之间存在着某种人类还没观察到的相互作用或信息传递，也就是“隐变量”。
到了上世纪60年代，爱尔兰的实验物理学家约翰·贝尔提出了一个可用来验证量子力学的贝尔不等式。根据它，物理学家就可以设计实验进行定量验证。如果贝尔不等式始终成立，那么量子力学可能被其他理论替代。
好像一对孪生儿，彼此存在‘心灵感应’。”李政道研究所量子基础科学研究部的李政道学者钟瑞丹认为，这种纠缠现象，别说对于老百姓，对于科研工作者也是很神奇的。
她给学生打了一个比方：地球上有一对夫妻，丈夫去太空参加星球大战，不幸战死。那么在地球上，他的妻子在丈夫战死的一瞬间就成为一个寡妇，也就是说两人的状态同时发生了变化。钟瑞丹说：“我们只需要有办法探测地球上妻子的状态，到底是在婚还是守寡，就能判断遥远的星球上发生了怎样的战事。妻子与丈夫之间某种纠缠关系就类似于量子纠缠。”
量子科学应用价值巨大
在三位诺奖得主理论和实验贡献的支撑下，量子信息科学的应用价值日益显现。
利用量子叠加态等科学原理，人们可以进行量子保密通信。潘建伟院士解释，经典通信的信号只有0和1，发生窃听时，这两种信号都不会被扰动。量子通信与之不同，不但有信号0和1，还有0+1、0-1等量子叠加态。根据量子力学的不确定性和不可克隆原理，量子信号一旦被窃听，量子叠加态就会受到扰动，有可能“塌缩”成另一种量子态。这样一来，通信双方就能立即察觉。
2016年8月，我国首颗量子科学实验卫星“墨子号”发射成功，实现了星地之间1000公里级量子纠缠、密钥分发及隐形传态。“墨子号”还实现了中国和奥地利之间长达7600公里的洲际量子密钥分发，并利用共享密钥完成了加密数据传输和视频通信。这项成果为未来构建全球量子通信网络奠定了基础。
与量子通信相比，量子计算是一个更热门的前沿科技领域。根据量子叠加态原理，一个粒子可以既处于“0”又处于“1”的状态，两个处于叠加态的粒子发生量子纠缠后，就会有4种状态（2的2次方）。如果100个粒子发生量子纠缠，则会出现2的100次方种状态。如此海量的状态，可以让量子计算机拥有超强的并行计算能力。
《量子信息和量子技术白皮书（合肥宣言）》预测，量子计算研发分为3个阶段：第一阶段是实现量子优越性，即针对特定问题的计算能力超越经典超级计算机；第二阶段是实现具有应用价值的专用量子模拟系统；第三阶段是实现可编程的通用量子计算机，这需要全球科技界的长期努力。
预计未来10—20年内，一批专用量子模拟系统将研发成功，用于催化化学反应模拟、高温超导材料制备等科研工作。它们的运算效率有望比经典计算机高得多，从而大幅提升这些领域的科研效率。
【浙大联合清华提出并验证拓扑时间晶体，“#天目1号# ”#超导量子芯片# 验证全新物质形态，有望用于探索物理前沿问题】
近期，拓扑时间晶体——一种自然界不存在的物质形态，在超导系统中实现了量子模拟的验证。
那么，拓扑时间晶体是什么？其在超导系统中是如何实现的？具体有怎样的技术突破呢？
#浙江大学# 王震、王浩华团队与#清华大学# 邓东灵团队合作，将拓扑和时间晶体两个内容结合在一起，创造性提出“拓扑时间晶体”的概念。他们在浙江大学自主研发的“天目 1 号”超导量子芯片上，采用数字量子模拟方法（26 个量子比特，240 层量子门线路）验证了一种全新的物质形态，为物理学者了解量子世界的奇妙现象提供了新思路。
近日，相关论文以《弗洛凯对称性保护拓扑相的数字化量子模拟》（Digital quantum simulation of Floquet symmetry-protected topological phases）为题发表在 Nature 上[1]。
该论文通讯作者为清华大学交叉信息研究院邓东灵助理教授与浙江大学物理学院王震研究员。浙江大学物理学院博士生张叙、清华大学交叉信息研究院博士生蒋文杰、#浙江大学物理学院# 博士生邓金凤为论文共同第一作者。
该团队提出并且验证了“拓扑时间晶体”这种新的物质形态，采用了具有高挑战性的数字量子模拟方法。据悉，该研究最主要的突破在于 26 个超导量子比特的数字量子模拟，以及高效量子线路实现的拓扑时间晶体。
该成果与团队多年来在理论和技术上的积累和突破密不可分。2010 年，王浩华教授回国在浙江大学创建超导量子计算实验室。从那时起，该团队就把提升量子芯片性能作为长期目标，并不断地刷新量子芯片上比特集成的数目。王震说道：“从早期的 5 比特，到 10 比特、20 比特，再到 30 比特，一路走来我们积累了丰富的经验。”
在该研究中使用的“天目 1 号”是该团队首个采用立体封装工艺实现的量子芯片，王震表示，这是一个重要的分水岭。他说道：“除了量子芯片，理论方清华团队的想法也很精妙，他们将非常复杂的系统用简单的量子门来实现，大幅降低了所需要量子门的数量。”
这里需要了解一个概念——数字化量子模拟，它被看作是通往量子计算的必经之路。早期的量子模拟，科学家通常采用类比量子模拟的方式，这是因为类比量子模拟直接将目标研究体系，和实验室的系统1对1地联系起来，这样模拟的结果很高，但其短板也十分明显，只能根据需要模拟的体系设计量子系统，因此通用性差。
而数字量子模拟将所有问题分解成量子门的组合，也就是说只要实现了基本的门操作，那么所有问题都可套用同样的量子门。这样，在同一个量子系统里能完成的任务多种多样，但是缺陷也很显著，简单来说，目前量子门的精度还不够高、量子门每执行一层结果就差一点。
戳链接查看详情：https://t.cn/A6SaILcZ
近期，拓扑时间晶体——一种自然界不存在的物质形态，在超导系统中实现了量子模拟的验证。
那么，拓扑时间晶体是什么？其在超导系统中是如何实现的？具体有怎样的技术突破呢？
#浙江大学# 王震、王浩华团队与#清华大学# 邓东灵团队合作，将拓扑和时间晶体两个内容结合在一起，创造性提出“拓扑时间晶体”的概念。他们在浙江大学自主研发的“天目 1 号”超导量子芯片上，采用数字量子模拟方法（26 个量子比特，240 层量子门线路）验证了一种全新的物质形态，为物理学者了解量子世界的奇妙现象提供了新思路。
近日，相关论文以《弗洛凯对称性保护拓扑相的数字化量子模拟》（Digital quantum simulation of Floquet symmetry-protected topological phases）为题发表在 Nature 上[1]。
该论文通讯作者为清华大学交叉信息研究院邓东灵助理教授与浙江大学物理学院王震研究员。浙江大学物理学院博士生张叙、清华大学交叉信息研究院博士生蒋文杰、#浙江大学物理学院# 博士生邓金凤为论文共同第一作者。
该团队提出并且验证了“拓扑时间晶体”这种新的物质形态，采用了具有高挑战性的数字量子模拟方法。据悉，该研究最主要的突破在于 26 个超导量子比特的数字量子模拟，以及高效量子线路实现的拓扑时间晶体。
该成果与团队多年来在理论和技术上的积累和突破密不可分。2010 年，王浩华教授回国在浙江大学创建超导量子计算实验室。从那时起，该团队就把提升量子芯片性能作为长期目标，并不断地刷新量子芯片上比特集成的数目。王震说道：“从早期的 5 比特，到 10 比特、20 比特，再到 30 比特，一路走来我们积累了丰富的经验。”
在该研究中使用的“天目 1 号”是该团队首个采用立体封装工艺实现的量子芯片，王震表示，这是一个重要的分水岭。他说道：“除了量子芯片，理论方清华团队的想法也很精妙，他们将非常复杂的系统用简单的量子门来实现，大幅降低了所需要量子门的数量。”
这里需要了解一个概念——数字化量子模拟，它被看作是通往量子计算的必经之路。早期的量子模拟，科学家通常采用类比量子模拟的方式，这是因为类比量子模拟直接将目标研究体系，和实验室的系统1对1地联系起来，这样模拟的结果很高，但其短板也十分明显，只能根据需要模拟的体系设计量子系统，因此通用性差。
而数字量子模拟将所有问题分解成量子门的组合，也就是说只要实现了基本的门操作，那么所有问题都可套用同样的量子门。这样，在同一个量子系统里能完成的任务多种多样，但是缺陷也很显著，简单来说，目前量子门的精度还不够高、量子门每执行一层结果就差一点。
戳链接查看详情：https://t.cn/A6SaILcZ
【IBM量子计算实现127量子比特，大众期待、学界遇冷，真相到底如何？】近日，在2021 IBM Quantum Summit上，IBM新发布的一款名叫Eagle（“鹰”）的超导量子处理器吸引了学术界、工业界和投资界的目光，其宣称的127量子比特的规模，因为超过了100量子比特大关，令人十分振奋。
但是，与大众的兴奋相比，学术界对此的反应却相当平静。这一点令人稍感意料之外，但也在道理之中。正如量子计算和计算复杂性理论专家Scott Arronson所说：据我所知，IBM昨天发布的营销材料说了很多，但对专家来说，没有说任何最重要的信息，即，门保真度如何？他们能应用到多深的量子电路中？他们如何对芯片进行基准测试？
Scott Arronson指出的问题，其实代表了学术界普遍的观点——量子计算的规模和性能，绝不仅仅是名义上的量子比特数能概括的。衡量量子计算性能，我们还需要关注更多指标。https://t.cn/A6x39ABm
但是，与大众的兴奋相比，学术界对此的反应却相当平静。这一点令人稍感意料之外，但也在道理之中。正如量子计算和计算复杂性理论专家Scott Arronson所说：据我所知，IBM昨天发布的营销材料说了很多，但对专家来说，没有说任何最重要的信息，即，门保真度如何？他们能应用到多深的量子电路中？他们如何对芯片进行基准测试？
Scott Arronson指出的问题，其实代表了学术界普遍的观点——量子计算的规模和性能，绝不仅仅是名义上的量子比特数能概括的。衡量量子计算性能，我们还需要关注更多指标。https://t.cn/A6x39ABm
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