量子技術的案例
關注：量子探測技術進展
一、 前言
量子科技的價值日漸體現，量子探測技術是量子科技的重要方向之一。量子探測技術是傳統探測技術和新興的量子科技融合產生的新型探測技術。主要針對目前傳統探測技術無法解決的瓶頸問題，例如探測信噪比探測靈敏度限制，探測成像分辨率限制，復雜環境探測性能下降的問題，更多維度特征信息的探測獲取等。文中首先綜述了一些現有的前沿量子探測技術情況，然后介紹了哈工大課題組在量子探測技術領域的一些典型工作，最后對整個量子探測技術方向發展提出的建議。
二、現有的前沿量子探測技術
現有的前沿量子探測技術主要包括基于量子偏振的安全量子探測技術、量子關聯成像（即鬼成像）探測技術、量子照明探測技術、量子增強激光探測技術。
展開 價值2950億美元的「量子霸權」，技術水平到了哪個階段
此外，盡管要達到破解加密技術的能力需要超1000個量子比特的計算資源，但據波士頓咨詢預測，到2040年，當前的加密技術將不再適用。因此，商業公司應該關注新的加密方式，以便隨時擺脫對整數分解加密方法的依賴。
盡管還處于相對早期階段，量子計算正迅速從實驗室走向商用。未來十年，量子計算將有可能為企業釋放巨大價值。企業管理者需要從現在開始關注量子計算的研發進程，并關注量子霸權可能實現的時間節點，那些想要應用量子技術的公司更是需要從現在開始建立能力。
來源：36Kr
展開 Empa和瑞士聯邦理工學院的研究人員開發出極大提高量子點發光亮度的技術
CINNO Research產業資訊，最近，Maksym Kovalenko領導的Empa和蘇黎世聯邦理工學院的研究人員，合作開發了一種能夠極大提高鈣鈦礦量子點發光亮度的方法，該方法未來可用于顯示器和量子技術。據介紹，該合作團隊創造了一種特殊的分子，能夠在量子點周圍形成一個保護層，正是這種保護層讓量子點材料的發光效率更高，除此以外，他們還利用量子力學效應來增加每秒產生的光子數量。最終，改進后的鈣鈦礦量子點材料可用于光子的生產、顯示器和有機化學中的光活化催化劑。這項研究成果，發表在了科學期刊《自然》上。
圖1. 研究成果示意
量子點材料發光亮度增強
Empa和蘇黎世聯邦理工學院的研究人員開發了一種能夠極大提高鈣鈦礦量子點材料發光亮度的方法，鈣鈦礦量子點是一種能夠發射特定顏色或單個光子的人造原子。這一研究成果對顯示器和量子技術的應用具有重要意義。據介紹，該團隊使用了化學方法和一種量子力學效應來提高這些量子點的發光亮度。
量子點和鈣鈦礦發光材料
眾所周知，量子點是由一些半導體材料制成的，尺寸只有幾納米。它們具有發出特定顏色甚至單個光子的能力，這對當前炙手可熱的量子技術發展至關重要。近年來，由鈣鈦礦發光材料制成的量子點，因其獨特的光學性質和成本效益而受到關注。鈣鈦礦是一種具有與礦物鈣鈦礦（鈦酸鈣）類似結構的材料，這些量子點在制成之前，需要與一些液體混合形成分散體。
改善量子點特性
蘇黎世聯邦理工學院和Empa的Maksym Kovalenko領導的這個研究小組，與烏克蘭和美國的同行合作，展示了如何進一步改善鈣鈦礦量子點性能的可能。他們使用化學方法進行表面處理和一種量子力學效應，這在鈣鈦礦量子點研究中是前所未有的。研究人員最近在科學期刊《自然》上發表了兩篇相關論文。
展開 量子保密通信應用與技術探討
開放型量子保密通信系統架構及共纖傳輸技術研究與實驗
[J]. 電信科學, 2018, 34(9):28-36.
[本文引用: 1]
[5]
中國信息通信研究院.
量子信息技術發展與應用研究報告(2021)
[R], 2021.
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[6]
中國通信標準化協會.
量子保密通信組網關鍵技術研究:SR 318-2021
[R], 2021.
[本文引用: 1]
極度精準的傳感技術：采用量子位與機器學習！
從硅芯片上鋁帶釋放出的人造原子可用于檢測磁場
（圖片來源：Babi Brasileiro / 芬蘭阿爾托大學）
當設備被冷卻至極低溫度時，不可思議的事情發生了：電流在其中的流動沒有受到任何阻擋，并開始表現出類似那些真實原子的量子力學特性。
當采用微波脈沖（與家用微波爐中的微波不同）輻照時，人造原子的狀態發生了變化。結果表明，這種變化取決于外部施加的磁場：通過測量原子，你就可以計算出磁場。
但是為了超越標準量子極限，必須采用另一個方法，也就是采用一項與機器學習一個廣泛應用的分支相似的技術：模式識別。
來自 ETH Zurich 的通訊作者，現工作于俄羅斯莫斯科 MIPT 的 Andrey Lebedev 表示：“我們采用了一種自適應技術。首先，我們展開測量，然后根據測量結果，讓我們的模式識別算法決定如何改變下一步采用的控制參數，從而實現最快速的磁場測量。”
磁場感測：限定在算法的連續步驟中的概率分布（研究中采用的兩種算法分別以紅色和藍色表示），帶來磁通量值的精準識別。綠色曲線是標準的量子極限分布，背景是設備的干涉圖樣特征。
（圖片來源：Sergey Danilin 和 Sorin Paraoanu / 芬蘭阿爾托大學）
價值
在一系列領域中，從地質勘探到大腦活動成像，磁場探測都非常重要。研究人員們相信，他們的工作是朝著采用量子增強方法的傳感技術的目標邁出的第一步。此外，從量子狀態中快速提取信息，對于未來的量子處理器和現有技術中的超靈敏探測器來說是必不可少的。
Lebedev 表示：“這是量子技術一個非常好的應用范例。通過將量子現象與基于有監督機器學習的測量技術相結合，我們可以改善磁場探測器的靈敏度，進入突破標準量子極限的新境界。”
展開 量子點 | 鈣鈦礦量子點新技術可降低成本，亮度提升10萬倍
在量子點去除探針時，還可以恢復量子點產生的機械變形，這也是該技術的一個優點。
主導研究的Lee Hyeongu UNIST物理系研究生表示:“全球首次證明出通過加力調整單一量子點特性，為現有的量子點發光能源控制效率低下問題提出了解決方案。是打破傳統量子點光特性調整研究理念的全新研究。
研究組使用主動型探針增強光致發光納米顯微鏡，分析出了量子點在機械壓力下隨機械形變而變化的特性，其空間分解能力約為15nm，遠遠超過了光的衍射極限。尤其將量子點放在金材質的原子力探針和金薄膜之間時，可以通過“珀賽爾效應”確認到其發光強度增加約10萬倍以上。可以改變決定量子點顏色的能帶差距。
Park Gyeongdeok教授表示:“若將本次研究出的波長可變超高亮度單一鈣鈦礦量子點技術應用于次世代顯示時，可以以更低廉的成本生產出超薄和低耗電的量子點電視。除了顯示領域外，還期待應用于多種超小尺寸納米光電子器件開發。
該研究中使用的10nm大小的鈣鈦礦量子點是成均館大學Jung Shui教授組和韓國生產技術研究院Woo Juyeong博士制作。漢陽大學物理系Jung Munseok教授組參與了量子店的常溫穩定化工程和基本特性分析。研究結果的物理解釋理論計算是由韓國科學技術院(KAIST)物理系Kim Yonghyun教授組主導。
研究成果刊登于5月25日的國際學術期刊“ACS納米”，單一量子點特性控制相關的基礎技術已在韓國華人歐洲注冊 (PCT)。本次研究是得到韓國研究財團、UNIST、韓國生產技術研究院等支援。
展開 韓國全北大學：研發納米級量子點技術用于3D印刷
CINNO Research產業資訊，韓國全北大學自然學院物理系安尚敏、李洪錫教授研究團隊推出了“Nanoscale（納米級）量子點3D打印制造技術”，該技術可以將3D打印為納米級別。
根據韓媒DNNews報道，安教授等研究人員確保了新的3D打印制造技術，這些技術具有半導體特性，且發光效率極高，將高品質的量子點溶液注入具有納米級孔的納米噴嘴后，可進行3D打印。
此次研究結果由全北大學盧熙碩教授和浦項大學樸敬德教授共同研究，在納米領域的全球性期刊“Nanoscale Advances”(IF=5.598)最新一期中作為封面論文發表。
在3D打印中，噴嘴的大小非常小，在噴嘴末端的內壁作用的液體的表面張力會非常高，只有施加很高的壓力或電力，里面的墨水才會向外排出。
但是，如果把它的尺寸減為非常小的“納米級（Nanoscale）”，施加巨大的壓力和電壓也不會噴出。為了克服這些限制，本次研究將一種名為“原子力顯微鏡”的技術融入其中，使噴嘴端可以接近到表面到數納米(nm)接觸之前。
原子力顯微鏡可以看到在光學顯微鏡下看不到的更小的物體，即使探針接近表面數納米也不會碎裂。通過安全地將噴嘴接近表面，可以有效降低表面張力，從而噴出液體。
展開 韓國研究團隊開發出量子點發光效率達100%的技術
林在勛教授表示：“此次研究有望助力在12大韓國國家戰略技術之一的顯示領域下實現新一代量子點顯示”，并稱“未來實現新一代全系發光元件為基礎的量子點顯示，需要大規模量產量子點，跨元件結構設計、圖案化工藝的研發。“
本次研究是在科技通信部和韓國研究財團推動的中堅研究、未來材料發現事業和基礎研究室的支持下進行的，最近發表于學術期刊“自然通訊（Nature Communications）”上。
小型量子精密測量工具：可通過現有制造技術量產！
導讀
近日，美國國家標準與技術研究院（NIST）的科研人員設計出一個芯片，讓激光與微型原子云在其上面進行交互，充當一個小型工具箱，以量子精準度測量重要的物理量，例如長度。
背景
近年來，科學家們對微觀尺度的精密測量日益重視，由此帶動了以量子力學基本原理為基礎的量子精密測量技術的快速發展。量子精密測量是量子信息科學的一個重要方向，旨在利用量子資源和效應實現超越經典方法的測量精度。
創新
近日，美國國家標準與技術研究院（NIST）的科研人員設計出一個芯片，讓激光與微型原子云在其上面進行交互，充當一個小型工具包，以量子精準度測量重要的物理量，例如長度。
（圖片來源：Hummon/NIST）
正如在《Optica》雜志上發表的論文中所描述的，NIST 的原型芯片可用于生成波長780納米的紅外線，作為校準其他儀器的參考長度來說，它已經足夠精準。NIST 芯片封裝了原子云和光柵結構，將光波引導進入小于1平方厘米的面積，它的尺寸差不多是提供相似測量精度的其他小型設備的萬分之一。
NIST 物理學家 Matt Hummon 表示：“相比于其他采用芯片引導光波探測原子的設備，我們的芯片將測量精準度提高了百倍。我們的芯片目前依賴于一個小型外部激光器和光學平臺，但是在未來設計中，我們希望將所有東西都集成到芯片上。”
技術
許多設備都采用光線探測小型蒸汽室中原子的量子狀態。原子對于外部條件高度敏感，因此，它成為了極好的檢測器。這種基于光線與原子蒸汽交互的設備，可用于測量一些物理量，例如：時間、長度、磁場，應用于導航、通信、醫學及其他領域。一般來說，這種設備必須通過手工組裝。
NIST研發的新型芯片使外部激光光線通過新型波導和光柵結構傳輸，擴大光束直徑從而探測約1億個原子，直到它們從一個能級躍遷至另外一個能級。
展開 全北大學研究團隊開發顯示用量子點光致發光色彩可變技術
CINNO Research產業資訊，近日，根據韓媒韓國講師新聞報道，韓國全北大學宣布稱，李承熙教授研究團隊(工科研究生院納米融合工程系、高分子納米工程系、JBNU-KIST產學研融合系)的研究教授金民秀利用有機和無機復合納米散射體成功開發出可實現顯示量子點光致發光色轉換效率最大化的技術。
?左起分別為：金民秀研究教授、李多妍(畢業生)、鄭河英(碩士在讀生)
量子點(Quantum dots) 作為新一代顯示材料，因其能夠實現高色域顯示和更加多樣化的顏色表現而備受矚目。當前，商業化的量子點顯示將這些量子點做成sheet形態在聚合物基質上，插入到液晶顯示的背光(backlight)前，或者最近在Blue OLED之上，以噴墨印刷技術形成Red、Green像素，將每個像素點實現從藍色光到紅色及綠色光變換的方式，應用于高端電視領域。此時，量子點接受特定顏色，用另一種顏色進行色彩轉換，稱為光致發光(Photoluminescence)，當這種光致發光效率作為顯示屏應用時，是非常關鍵的要素。
為提高這種光致發光效率，研究者們一直嘗試通過不同的量子點合成方式。而李承熙教授的研究團隊則在高分子基質內，成功構建了有機-無機復合納米散射體，開發出了一種新技術，即使使用相同的量子點，也能顯著提高色彩轉換效率。這種納米散射體結合了聚合物分散液晶（PDLC），一種在智能窗戶應用中展現出巨大潛力的材料，以及具有高UV反射率的二氧化鈦（titanium dioxide）納米粒子的復合體，這種材料常用于UV阻隔劑。
通過光聚合相分離技術，形成了PDLC類型的納米散射體，促使該色彩轉換層內光向及散射特性的優化，使藍光在沒有色色轉換的情況下不會泄露，從而繼續與內部的量子點相互作用，從而實現色彩轉換效率的最大化。
展開 潘建偉團隊再次刷新世界紀錄：實現18個光量子比特糾纏
近期，出于商業目的，雖然IBM、英特爾、谷歌等宣布實現了更高數目的量子比特樣品的加工，但是這些量子比特并沒有形成糾纏態。
潘建偉團隊
1987年，潘建偉從浙江考入中國科學技術大學近代物理系，第一次接觸到了量子力學。
他和同事在過去20年一直在國際上引領著多光子糾纏和干涉度量的發展，并在此基礎上另辟蹊徑地開創了光子的多個自由度的調控方法。
2015年，通過實現對光子偏振和軌道角動量兩個自由度的量子調控技術和單光子非破壞測量。
通過多年的不懈探索和技術攻關，研究組自主研發了高穩定單光子多自由度干涉儀，實現了不同自由度量子態之間的確定性和高效率的相干轉換，完成了對18個量子比特的262144種狀態的同時測量。
△ 潘建偉入選2017《自然》十大科學人物
在此基礎上，研究組成功實現了18個光量子比特超糾纏態的實驗制備和嚴格多體純糾纏的驗證，創造了所有物理體系糾纏態制備的世界紀錄。
此外，潘建偉還和團隊一起建成了國際上規模最大的量子通信網絡，從太空建立了迄今最遙遠的量子糾纏，構建出世界上第一臺超越早期經典計算機的光量子計算機……
前不久潘建偉指出，曼哈頓計劃使得美國率先掌握核武器影響20世紀的政治格局，量子信息技術從某種意義上講是和平年代的“核武器”。由于我國重視比較早，目前處于并跑狀態。
潘建偉現擔任中國科學技術大學常務副校長，中國科學院量子信息與量子科技創新研究院院長，中國科學院院士等職。
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首個商用量子通信專網落地濟南 量子通信產業化又進一步
湖北君信達科技股份有限公司董事長華仙軍學通信出身，他一直對量子信息技術有較高的熱情。包括他在內，很多企業家在接受21世紀經濟報道記者采訪時都將量子通信稱為“新一代通信技術”。
2016年他的公司跟杭州一家知名量子信息企業合作，在武漢成立一家量子信息企業，主要做量子通信技術的研發、應用、推廣及量子通信網絡的建設等工作。
他告訴21世紀經濟報道記者，2017年有很多量子信息應用案例出來，但接近民生的商業應用還不多，如果商用增加，有利于降低成本，加快技術迭代。
在量子信息領域，被提到最多的質疑，就是在量子信息產業的推廣過程中，使用群體相對有限，如果不能形成規模化應用，加上前期投入巨大的研發成本，直接導致產品的單價和成本很難降下來。
地方政府對量子信息的產業熱情無疑是最高的。2016年6月國家發改委發布《長江三角洲城市群發展規劃》，規劃提出，將積極建設“京滬干線”量子通信工程，推動量子通信技術在上海、合肥、蕪湖等城市使用，促進量子通信技術在政府部門、軍隊和金融機構的應用。
濟南直接將量子科技產業列入濟南市十大千億產業振興計劃，并提出要打造山東特色的量子“華為”。
企業界人士在接受21世紀經濟報道記者采訪時預測，未來量子信息產業規模化應用，率先出現在長三角和北京的可能性較大，一方面安全市場大，另外產業技術布局相對較早。
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展開 有缺陷的鉆石：為量子通信網絡提供關鍵技術！
導讀
近日，美國普林斯頓大學（Princeton University）的研究人員采用合成鉆石來制作新型量子通信網絡的關鍵部件：量子中繼器。
背景
鉆石，以極度純凈著稱，象征著愛情和忠貞。
然而，鉆石也并非完美無瑕。雖然瑕疵影響了鉆石的純凈度，但是對于制造量子位及高度安全的量子通信方式來說，瑕疵卻具有非常關鍵的價值。例如，如果金剛石晶體中的碳原子被其他元素的原子取代，就會導致晶格缺陷。
然而，缺陷與量子位之間有什么聯系呢？
我們可以這么來想：本來應處于鉆石晶格中某一位置的碳原子消失了，從而留下“空位”。取代碳原子的其他元素的原子，與相鄰格點中存在的“空位”相結合，就形成了某元素空位中心，例如：氮空位中心和硅空位中心。與這些空位中心相關的自由電子的“自旋”可能會產生疊加態，從而構成量子位。
氮空位中心
（圖片來源：參考資料【2】）
硅空位中心
（圖片來源：參考資料【3】）
在量子計算機的設計中，一直存在一個問題：如何從量子位中讀出信息？然而，鉆石中的缺陷提供了一種簡單解決方案，因為它們是自然的發光體。實際上，鉆石缺陷激發出的光子能夠保持住量子的疊加態，因此它們可以在不同的量子設備之間傳遞信息。
創新
近日，美國普林斯頓大學（Princeton University）的研究人員就想到了采用鉆石來打造新型量子通信網絡。這種量子通信網絡依賴于亞原子粒子的一種特性，也稱為量子狀態。研究人員相信，這種量子信息網絡是極度安全的，同時也能讓多臺量子計算機一起工作解決現有技術手段無法解決的問題。
（圖片來源：Frank Wojciechowski）
目前，科學家們設計這些網絡的時候會面臨一些挑戰，包括如何跨越長距離保持脆弱的量子信息。
展開 Nature | 超薄非線性量子光源
本文由論文作者團隊（課題組）投稿
量子信息技術是目前國際競爭趨于白熱化的戰略技術。各個大國都在持續加碼量子技術。研究量子信息的物理體系包括超導、半導體、離子阱以及光量子。其中光量子作為信息載體（或量子比特）具有獨特的優勢，例如更長的消相干時間、編碼信息的維度多、單比特操縱簡單、傳輸速度快等。光量子技術在量子通訊、量子計算、量子模擬和量子精密測量等領域發展迅速。
光量子技術關于光量子信號的產生、存儲、編碼、調制、傳輸和檢測的技術，其中首當其沖的是光量子信號的產生，即量子光源。量子信息的幾乎任何過程都離不開糾纏態，而糾纏態的制備是關鍵。基于自發參量下轉換過程（SPDC，一種光學非線性過程）產生糾纏光子對，因其制備過程可控性高且糾纏純度高，是目前實驗上比較常用且成熟的方法。在SPDC過程中，單色泵浦光子因真空量子漲落在二階非線性光學晶體內會以一定概率分裂成兩個能量較低且構成糾纏態的光子對，分別為信號光子（signal）和閑頻光子（idler）如下圖1所示。該光子對具有時間糾纏、頻率糾纏和偏振糾纏等特性。
圖1：自發參量下轉換（SPDC）過程示意圖
圖源：www.nist.gov
目前SPDC量子光源主要基于二階非線性（χ(2)）光學晶體，如β-BBO, LiNbO?等。一方面，這些晶體的非線性系數較低，因而一般需要較大體積的晶體以保證足夠長的與光作用距離；另一方面，這些晶體都是三維共價成鍵的晶體，很難集成到目前主流的CMOS兼容的光量子芯片平臺（如硅、氮化硅等）上。而對于光量子技術來說，小型化、集成化是走向實用化的必經之路。
展開 亞洲大學成功開發高密度量子點薄膜制造新技術
并使用藍色OLED(有機發光二極管·organic light emitting diodes，作為接收電能能夠自發光的有機物用于電視上)物質和顏色轉換技術，經常會使用到將藍色轉化為綠色或紅色的方法。
進行彩色轉換的材料包括量子點(是指數納米大小的超微半導體粒子，該物質隨著尺寸變化會帶來發光顏色的改變，用作電視顯示的發光體)，這種量子點要以薄膜的形式進行涂層。
目前，噴墨方法已廣泛用于涂層，但為了實現沒有藍色漏光現象的完美的色彩變換，需要增加薄膜的厚度或使用額外的彩色濾光片。該技術存在這樣的問題點。
對此，聯合研究團隊結合超聲波和氣象沉積法(Aerosol Deposition)提出了新的技術方案。氣象沉積法是在基板表面涂層固體材料薄膜的方法，廣泛應用于半導體和太陽能電池等制造工藝。
研究團隊采用所開發的新方式成功制造了高密度的量子點薄膜。不僅如此，在3μm厚度(用噴墨方法所制造的厚度的25%)的薄膜上，也完美實現了將藍色轉化為綠色和紅色。
此外，研究團隊通過該研究還確認到，通過混用低價的二氧化硅納米粒子，在綠色的情況下能達到7353cd/m2的高效率。研究團隊研發的高密度薄膜可在多種材料上涂層，也可用于柔性材料的基板(flexible substrate)。在細微圖案制造中常用的無掩模版(Mask)的工藝應用，可實現13μm厚的線幅的制造。
亞洲大學金相旭教授表示：“目前實現彩色顯示應用最廣泛的技術是使用噴墨技術制作薄膜的方法。期待通過此次研究團隊開發的新方法將能實現對這一技術的替代，并廣泛地應用。“他接著稱：“通過與多所大學開展的共同研究，可以最大限度地發揮協同作用。今后還將繼續進行后續研究。”
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