概 述
量子光学探索光在量子水平上的行为及其与物质的相互作用，重点研究量子纠缠和叠加等现象。
本文重点介绍了量子光学研究最近取得的重大进展，包括量子计算、通信和超精密传感器方面的突破。这些发展突显了该领域的快速进步及其对研究和实际应用的深远影响。
量子计算的最新突破
量子光学最令人兴奋的进展之一是量子计算。与使用比特表示二进制状态（0 和 1）的传统计算机不同，量子计算机使用的是量子比特，由于叠加作用，量子比特可以同时表示两种状态。
此外，量子比特可以纠缠在一起，将它们的状态连接起来，使量子计算机能够以比最强大的超级计算机快得多的速度解决复杂的问题。
室温量子相干
创建能在室温下保持微妙量子态的量子比特一直是一项重大挑战，传统上需要在绝对零度附近极度冷却。
然而，日本的一个研究小组最近利用金属有机框架和五碳烯分子设计出了一种稳定的量子比特，在室温下实现了超过 100ns 的量子相干性。这一创新减少了对昂贵而复杂的低温冷却的需求，使室温量子计算变得更加可行。
该研究的首席研究员 Nobuhiro Yanai 副教授表示：“这将为基于多量子门控制的室温分子量子计算和各种目标化合物的量子传感打开大门。”
室温下五重态的瞬态章动。资料来源：Yamauchi, A., et al. (2024). Room-temperature quantum coherence of entangled multiexcitons in a metal-organic framework. Science Advances.
用于室温量子计算的原子级太赫兹薄换能器
美国东北大学的 Yoseob Yoon 开发出一种方法，制造出能够在太赫兹频率下工作的原子级薄换能器。通过提高量子换能器的频率范围，这一进展可使量子计算机在室温下运行，从而克服量子计算的主要挑战之一。
可扩展量子计算
研究人员在提高量子比特的数量和质量方面也取得了进展。曼彻斯特大学和墨尔本大学的研究小组开发出了一种增强型超纯硅，其中不含导致量子比特不稳定的 29Si 杂质。这为在针头大小的芯片上创建多达一百万个量子比特提供了一条通往可扩展量子计算的途径。
利用 P-NAME 工具进行聚焦离子束同位素富集。资料来源：Acharya, R., et al. (2024). 28Si enriched silicon by localised focused ion beam implantation. Commun Mater.
项目联合导师 David Jamieson 教授表示：“现在，我们已经可以生产出极纯的 28Si，下一步将是证明我们可以同时维持许多量子比特的量子相干性。一台仅有 30 个量子比特的可靠量子计算机在某些应用领域的性能将超过当今的超级计算机。”
量子通信和密码学的创新
量子通信和密码学利用量子物理学为安全通信提供了一个新的水平。与依赖数学加密的传统方法不同，量子密码学通过量子比特的物理特性检测窃听。
量子隐形传态是如何工作的？资料来源：Gilesarchive page, M. (2019). What is quantum communication? [Online]. MIT Technology Review.
任何篡改都会导致量子比特状态坍缩，从而暴露干扰。这确保了只有安全密钥才能用于数据传输，使量子通信成为一种高度安全的敏感信息传输方法。
研究人员正在取得重大进展，以进一步提高量子通信和密码学的安全性和实用性。
量子器件的连通
Kastler Brossel 实验室的研究人员开发出一种新型转换器，可促进量子信息编码之间的通信。该转换器利用量子纠缠在不同量子信息编码之间切换，同时保留脆弱的量子编码信息信号。
一种用于量子互连的光编码转换器。资料来源：Darras, T., et al. (2023). A quantum-bit encoding converter. Nat. Photon.
这一突破可以实现不同量子器件之间的互操作性，标志着向建立功能性量子互联网迈出了关键一步。
安全量子云计算
在另一项重要进展中，牛津大学物理系的科学家们开发出一种名为 “盲量子计算 ”的技术，允许用户访问远程量子计算机来处理机密数据。这种方法在简单的光子检测器件和量子计算服务器之间使用光纤网络连接，可以在不泄露敏感信息的情况下验证结果。
英国量子计算与仿真中心首席科学家 David Lucas 教授表示：“随着量子计算机的功能越来越强大，人们将寻求通过网络以完全安全和隐私的方式使用它们，而我们的新成果标志着这方面的能力发生了质的飞跃。”
用于高级密码学的增强型随机数生成器
发表在《PRX quantum》上的一项研究设计了一种随机数发生器，利用量子波动（粒子-反粒子对形成和自毁的行为）生成真正的随机数。该系统生成随机数的速度比传统系统快 200 倍，有可能提高密码学的安全性。
QRNG（量子随机数发生器）装置概览。资料来源：Bruynsteen, C., Gehring, T., Lupo, C., Bauwelinck, J., Yin, X. (2023). 100-Gbit/s integrated quantum random number generator based on vacuum fluctuations. PRX quantum.
量子传感器和测量技术的进展
量子传感和计量学已经超越了经典方法，克服了散粒噪声、标准量子极限和衍射极限等限制，实现了前所未有的原子级精度和成像。
研究人员正在不断推进这些技术，增强其实时应用和性能。
加强量子缺陷控制，提高量子传感能力
麻省理工学院的研究人员开发出一种技术，可以更好地控制钻石中的微观缺陷，这些缺陷被称为暗自旋，它可以作为量子传感的量子比特。通过改进对这些量子比特的控制，研究人员可以提高量子传感器的灵敏度，从而在脑成像和空中交通管制等领域实现更精确的测量。
神经形态视觉传感器
发表在《Advanced Science》上的一项研究介绍了一种神经形态视觉传感器，它提高了宽视场量子传感的分辨率和速度。这些传感器旨在模仿人类视觉系统，在光学检测磁共振（ODMR）测量过程中将荧光强度的变化编码为峰值。
与传统方法相比，这种方法的时间分辨率提高了 13 倍，有望应用于监测生物系统和材料科学中的动态过程。
宽场量子传感的概念、设计和实施。资料来源：Du, Z., et al. (2024). Widefield Diamond Quantum Sensing with Neuromorphic Vision Sensors. Advanced Science.
各行各业的新兴应用
天文成像
通过开发高分辨率、长基线光学干涉仪，量子技术正在彻底改变天文成像技术。麦考瑞大学（Macquarie University）和新加坡国立大学（National University of Singapore）的研究人员建议使用量子纠错技术来保护脆弱的捕获星光免受环境噪声的影响。
这种技术可以大大提高图像分辨率，使望远镜的距离更远，有可能超过衍射极限。这项技术特别有前途，因为它使用简单的重复编码就能容许高达50%的错误率，使其在近期量子器件中可行。
原子级传感
量子传感器在材料科学和纳米技术领域也取得了重大进展。韩国 IBS 量子纳米科学中心和德国 Forschungszentrum Jülich 研究小组的国际合作设计出了一种量子传感器，能够在原子尺度上探测微小磁场。
这一突破实现了量子材料磁共振成像工具的长期梦想，有望应用于设计新型催化剂、量子材料工程以及探索包括生物化学在内的分子系统中的基本量子行为。
该研究的主要作者 Dimitry Borodin 博士：“这项成就之所以如此引人注目，是因为我们使用了一个精心设计的量子物体，自下而上地解析基本原子特性。先前的材料可视化技术使用大而笨重的探针来分析微小的原子特征。”
结 论
这些最新突破凸显了量子光学技术在天文学、粒子物理学、材料科学和医学等不同行业的变革潜力。
随着这些技术的发展，它们将释放出新的能力并促进创新，对基础科学研究和实际应用产生影响。
参考文献：
Stackpole, B. (2024). Quantum computing: What leaders need to know now. [Online] The MIT Sloan School of Management. Available at: https://mitsloan.mit.edu/ideas-made-to-matter/quantum-computing-what-leaders-need-to-know-now
Yamauchi, A., et al. (2024). Room-temperature quantum coherence of entangled multiexcitons in a metal-organic framework. Science Advances.
Yoon, Y., et al. (2024). Terahertz phonon engineering with van der Waals heterostructures. Nature.
Acharya, R., et al. (2024). 28Si enriched silicon by localised focused ion beam implantation. Commun Mater.
Gilesarchive page, M. (2019). What is quantum communication? [Online]. MIT Technology Review.
Darras, T., et al. (2023). A quantum-bit encoding converter. Nat. Photon.
Drmota, P., et al. (2024). Verifiable blind quantum computing with trapped ions and single photons. Physical Review Letters.
Bruynsteen, C., Gehring, T., Lupo, C., Bauwelinck, J., Yin, X. (2023). 100-Gbit/s integrated quantum random number generator based on vacuum fluctuations. PRX quantum.
HÜBNER Photonics. (2024). Quantum sensing and metrology. [Online] HÜBNER Photonics. Available at: https://hubner-photonics.com/knowledge-bank/quantum-metrology-and-sensing/
Ungar, A., Cappellaro, P., Cooper, A., Sun, WKC. (2024). Control of an Environmental Spin Defect beyond the Coherence Limit of a Central Spin. PRX Quantum.
Du, Z., et al. (2024). Widefield Diamond Quantum Sensing with Neuromorphic Vision Sensors. Advanced Science.
Huang, Z., Brennen, GK., Ouyang, Y. (2022). Imaging stars with quantum error correction. Physical Review Letters.
Esat, T., et al. (2024). A quantum sensor for atomic-scale electric and magnetic fields. Nat. Nanotechnol.
