近期，我国在超导量子和光量子两种系统的量子计算机方面取得了重要的进展，成功构建113个光子144模式的量子计算原型机“九章二号”，和66比特可编程超导量子计算原型机“祖冲之二号”。 在光量子和超导量子两种系统的量子计算方面取得的重要进展，使我国成为目前世界上唯一在两种物理体系达到“量子计算优越性”里程碑的国家。
量子就是质量、能量等各种物理量的最小单元，而且它也要以某种粒子状态存在。如果说到能量，比如光，一个光子就是一个量子。
量子计算机它是 利用量子力学的原理 ，量子力学它可以允许一个物体同时处于多种状态，那么比如说0和1同时存在，它可以做一个原理上叫做并行计算，就是很多个任务可以一起完成，因此它就有了这样一种超越经典计算机的计算能力。
正因为量子计算机在原理上具有超快的并行计算能力，可望通过特定算法在一些具有重大 社会 和经济价值的问题方面（如密码破译、大数据优化、材料设计、药物分析等）相比经典计算机实现 指数级别的加速 。
作为最有希望实现可拓展量子计算的候选者之一，其核心目标是如何同步地增加所集成的量子比特数目以及提升超导量子比特性能，从而能够高精度相干操控更多的量子比特，实现对特定问题处理速度上的指数加速，并最终应用于实际问题中。“祖冲之号”和“祖冲之二号”就是可编程超导量子计算原型机。
“祖冲之号”
“祖冲之号”是包含62个比特的可编程超导量子计算原型机，并在该系统上成功进行了二维可编程量子行走的演示。研究团队在二维结构的超导量子比特芯片上，观察了单粒子及双粒子激发情形下的量子行走现象，实验研究了二维平面上量子信息传播速度，同时通过调制量子比特连接的拓扑结构的方式构建马赫-曾德尔干涉仪，实现了可编程的双粒子量子行走。该成果为在超导量子系统上实现量子优越性展示及可解决具有重大实用价值问题的量子计算研究奠定了技术基础。
“祖冲之二号”
“祖冲之二号”是66比特可编程超导量子计算原型机“祖冲之二号”，求解“量子随机线路取样”任务的速度比目前全球最快的超级计算机快1000万倍以上，这使得中国成为目前唯一在两条技术路线上达到“量子优越性”里程碑的国家。
研究人员介绍，“祖冲之二号”的并行高保真度量子门操控能力和完全可编程能力，有望找到有实用价值的应用，预期包括量子机器学习、量子化学等。
很多时候，说到量子，并且跟能量绑在一起说的时候，大家就喜欢用“光”来举例。一个光量子，就是指的一个量子。这个概念是在1905年被爱因斯坦引入到光学里的，后来大家熟知的以及如今的“九章”所使用的“光子”，实质上就是这个“光量子”。
“九章号”
“九章号”是76个光子100个模式的高斯玻色取样量子计算原型机。“九章”处理特定问题的速度比目前世界排名第一的超级计算机“富岳”快一百万亿倍，同时也等效地比谷歌发布的53比特量子计算原型机“悬铃木”快一百亿倍，成功实现了量子计算领域的第一个里程碑——量子计算优越性。“九章号”量子计算原型机确立了我国在国际量子计算研究中的第一方阵地位，为未来实现规模化量子模拟机奠定了技术基础。
“九章二号”
“九章二号”是113个光子144模式的量子计算原型机。求解高斯玻色取样数学问题比目前全球最快的超级计算机快10的24次方倍（亿亿亿倍），在研制量子计算机之路上迈出重要一步。
据悉，未来的通用型量子计算机可望在密码破译、天气预报、材料设计、药物分析等领域发挥作用。目前的“九章二号”还只是“单项冠军”，但其超强算力，在图论、量子化学等领域具有潜在应用价值。
“九章号”和“祖冲之号”分别是为了纪念中国古代最早的数学专著《九章算术》和我国古代伟大的数学家祖冲之而命名的。
《九章算术》
《九章算术》是中国古代的数学专著，是“算经十书”（汉唐之间出现的十部古算书）中最重要的一种。魏晋时刘徽为《九章算术》作注时说:“周公制礼而有九数，九数之流则《九章》是矣”，又说“汉北平侯张苍、大司农中丞耿寿昌皆以善算命世。苍等因旧文之遗残，各称删补，故校其目则与古或异，而所论多近语也”。根据研究，西汉的张苍、耿寿昌曾经做过增补。最后成书最迟在东汉前期，但是其基本内容在西汉后期已经基本定型。
《九章算术》是几代人共同劳动的结晶，它的出现标志着中国古代数学体系的形成．后世的数学家，大都是从《九章算术》开始学习和研究数学知识的。唐宋两代都由国家明令规定为教科书。1084年由当时的北宋朝廷进行刊刻，这是世界上最早的印刷本数学书。所以，《九章算术》是中国为数学发展做出的杰出贡献。
祖冲之
祖冲之一生钻研自然科学，其主要贡献在数学、天文历法和机械制造三方面。
数学方面，他在刘徽开创的 探索 圆周率的精确方法的基础上，算出圆周率（π）的真值在31415926和31415927之间，相当于精确到小数第7位，简化成31415926，祖冲之因此入选世界纪录协会世界第一位将圆周率值计算到小数第7位的科学家。祖冲之还给出圆周率(π)的两个分数形式：22/7（约率）和355/113（密率），其中密率精确到小数第7位。祖冲之对圆周率数值的精确推算值，对于中国乃至世界是一个重大贡献，后人将“约率”用他的名字命名为“祖冲之圆周率”，简称“祖率”。
祖冲之写过《缀术》五卷，被收入著名的《算经十书》中。在《缀术》中，祖冲之提出了“开差幂”和“开差立”的问题。“差幂” 一词在刘徽为《九章算术》所作的注中就有了，指的是面积之差。“开差幂” 即是已知长方形的面积和长宽的差，用开平方的方法求它的长和宽，它的具体解法已经是用二次代数方程求解正根的问题。而“开差立”就是已知长方体的体积和长、宽、高的差，用开立方的办法来求它的边长；同时也包括已 知圆柱体、球体的体积来求它们的直径的问题。所用到的计算方法已是用三次方程求解正根的问题了，三次方程的解法以前没有过，祖冲之的解法是一项创举。
“九章”问世中国科学技术大选宣布成功构建了76个量子比特（光子）的量子计算机原型机，原型机命名「九章」。其处理特定问题的速度比目前最快的超级计算机快一百万亿倍，同时也等效地比谷歌去年发布的53比特量子计算机原型机“悬铃木”快一百亿倍，成功实现了量子计算领域的第一个里程碑。量子科技产业获政策连续支持，产业发展助力数字中国建设。此前，我国已多次举办研讨会、出台一系列相关政策和成立专业部门，希望促进我国量子技术发展。中国对量子科技的布局较为超前，自2006 年发布的《国家中长期科学和技术发展规划纲要》开始，提出了重点研究量子通信、量子计算的载体、关联规律和调控原理。至2013 年发布的《国家重大科技基础设施建设中长期规划》中，再次强调了“为空间网络、光网络和量子网络研究提供必要的实验验证条件”。到2015 年发布的《中国制造2025》中，提出“积极推动量子计算”的规划。再到近日政治局集体学习量子科技“十四五”高新技术发展规划的公布。据IDC预测：量子计算将在2020年时进入高速增长的黄金期，未来10年市场将增长40倍，到2027年这一市场规模有望达到107亿美元。
量子力学对人类来说，仍然是一个巨大的“黑箱”，目前量子力学很多的“诠释”都只是对“黑箱”所呈现出来的这些事物规律做一些“说得通”的诠释，所以每一种量子力学诠释，都有各自缺陷。
最近，我国量子计算机“九章”处理高斯玻色取样的速度比目前最快的超级计算机快100万亿倍的新闻刷屏。
虽然生活中、新闻里经常会听到量子力学这个词，但很多人到现在都不清楚量子力学究竟是一门怎样的学问。
一听量子，很多人会以为它跟电子一样是一个实体。其实，这个理解是错的。
量子这个概念最早由德国物理学家普朗克提出。1900年，普朗克在研究“黑体辐射”的时候，提出一个假说：能量的传输不是连续的，而是“一份一份”的。普朗克把这一份一份的能量称为“能量子”，也被人们称为“量子”。
这在当时是一个颠覆性的概念，因为在经典物理学里，人们一直认为能量的传输是连续的，不存在最小单位。由于这个假说太过于“叛逆”，简直颠覆了整个经典物理学，所以在该假设提出之后的10余年里，普朗克一直试图寻找各种方法来解释辐射能量的不连续性现象，但最终归于失败。
1905年，爱因斯坦在普朗克研究的基础上，认为光的传播也是“一份一份”的，并且爱因斯坦给出了极其充分的数学证明，证明存在所谓的“光量子”。
在此之前光作为一种波，已经被人们广为接受。在新的理论面前，光的波动说与微粒说之争以“光具有波粒二象性”的结论落下了帷幕。而后人们发现，不单单能量和光存在这种量子性，包括电子等其他微观粒子，也存在这种“量子性”。
量子力学最早就是研究为什么微观粒子会呈现这种“既是波，又是粒子”的神奇现象。
那么，有人会问：研究量子力学到底有什么用呢？其实你正从中受益。比如，生活中你每天都离不开的电脑，它的出现首先要感谢的就是量子力学。正是得益于量子力学基础研究领域获得的突破，美国斯坦福大学的研究者尤金·瓦格纳及其学生弗里德里希·塞茨才能在1930年发现半导体的性质——可同时作为导体和绝缘体而存在。在晶体管上加电压能实现门的功能，以控制管中电流的导通或阻断，利用这个原理便能实现信息编码，可以编写一种1和0的语言来操作它们。
可以说整个半导体产业，基本都是在量子力学基础上才得以构建的， 如果没有量子力学就不会有芯片、计算机，乃至我们当前五花八门的电子产品。 现代互联网所代表的信息 科技 ，包括原子钟、人工智能、5G、LED等都跟量子力学脱不了关系，同时现代医学的大多数成像工具和分析方法，如自旋磁共振、电子隧道显微镜等，基本也都是在量子力学的基础上才得以实现的。
展望未来，如果通用量子计算机得到了广泛应用，那么整个 社会 方方面面都会受到影响。
中科院院士、中国科学技术大学郭光灿教授接受媒体采访时表示，医疗方面，我们生产新药物的速度会大大提高，这是因为新药制造需要计算机模拟哪个配方是最有效的，使用电子计算机模拟非常慢，但量子计算机很快就能计算出来；人工智能方面，无人驾驶 汽车 传感器处理的速度如果使用量子技术的话反应能力就更快，性能就会提高；农业方面，量子计算机出来后，可以研究清楚光合作用是怎么回事，有科学家预言，如果这个应用研究成功了，太阳能的利用会从现有的10%提高到20%—30%，农业会出现跳跃式发展。
虽然量子力学几乎构成了当前包围我们生活的各式各样电子产品的基础科学理论， 但量子力学对于人类来说，仍然是一个巨大的“黑箱”。
量子物理学中的一些现象看起来“毫无章法”，有的似乎完全说不通。所以物理学家就基于客观存在的现象规律，通过数学工具提出了一些解释，来诠释这些现象，试图让量子物理能“说得通”。但是由于我们并不知道这些量子现象背后的原理，因此这些诠释就有点像盲人摸象——对一个事物的描述存在多个版本，且都有缺陷。
量子力学告诉我们不能再用位置这样的物理量来描述电子、质子等粒子。例如，电子没有固定的位置。取而代之，我们用它们可能处于的位置来描述它们。为了表示电子处于某个位置的概率，物理学家引入了一个叫做波函数的数学工具。电子的每一个可能的位置都被称为一个状态，波函数给出了电子处于任何一种状态的概率。
哥本哈根诠释是量子力学的主流版本。 它认为，当我们对波函数进行测量时，除了一个特定状态的概率外，其他所有状态的概率都变为零，被测量到的状态概率变为1。这确保了电子有一个固定的位置，而不存在于其他任何地方。这种一个特定状态的概率变为1，其他概率都变为0的过程被称为波函数塌缩。但是我们无法知道波函数在哪里以及如何塌缩。波函数描述的每一个可能的位置都有机会成为电子所处的特定位置。哥本哈根诠释实际上只是对量子不确定原理这个现象所做的描述，并没有实际探究这个原理。
多世界诠释有点类似科幻小说中最喜欢使用的“平行宇宙”概念。该诠释认为，波函数对电子位置的其他预测不但没有消失，而且还全部发生了，只不过它们都发生在彼此不相干的世界里而已。这听上去就像，如果你在这个现实里做了什么糟糕的决定，别担心，也许在另一个现实中，你仍然可以获得一个完美的结果。但这种诠释也带来了一个问题——它让概率失去了意义。
导航波诠释比较复杂，简单说，导航波诠释认为，用以表达量子力学的波函数是有实体的，是一个叫作导航波的真实的波。粒子只是导航波上的“顶点”，然后被导航波带着走。导航波诠释与哥本哈根诠释最大的区别是，导航波认为粒子的位置和轨迹是固定的，只是我们无法提前获取，只能观察到随机化的结果。
为了解决多世界诠释在概率上的问题，一些科学家发展出了宇宙学诠释。这种诠释建立在永恒暴胀的背景下，它认为，如果有无穷个宇宙，那么多世界诠释一定成立，因为有无穷个“你”正在进行实验，而现实将会按照概率的比例进行分裂。这样一来，经典概率就仍然存在意义。
除此之外，量子力学的诠释还有量子贝叶斯主义诠释、量子达尔文主义诠释、交易诠释、关系性诠释等。
虽然对量子力学的诠释都有缺陷，但这并不妨碍我们只通过这些诠释，就能精准计算出某些结果，并将此应用到 科技 上，制造出可以实际使用的电子产品。对于量子力学来说，还有一些非常基础和根本的部分等待着被发掘。
1轻子中的CP破坏
为什么我们会存在？
这是个极其复杂的问题
问题的根源要追溯回约138亿年前
在大爆炸后不久
理论上宇宙中的所有物质与所有反物质
应当全部湮灭化为能量
但这显然没有发生
否则也就不会有恒星、行星和星系
更不会有生命，以及人类存在了
但究竟是什么使早期宇宙中的物质和反物质
出现了轻微的不对称？
物理学家认为
其中一个重要的原因
与打破 CP对称性 （或CP破坏） 有关
这一对称性告诉我们
在镜像世界中
反粒子的行为与粒子一致
过去，物理学家发现夸克和反夸克
并不遵循这一对称性
但从未在轻子 （电子或中微子） 身上看到过
今年，T2K实验的科学家通过测量中微子
报告了他们可能首次在轻子中发现了CP破坏的证据
其置信水平达到95%
未来，当置信水平超过999999%
物理学家就能最终确认这一发现
我们正越来越接近揭开我们的存在之谜
2任意子的最佳证据
中微子是非常神秘的基本粒子
物理学家在研究中微子的道路上
已经作出了许多重要的发现
中微子属于 费米子 ，喜爱“独处”
与之性格截然相反的一类粒子
是喜欢“聚集”的 玻色子 ，比如胶子
除了这两类粒子外
上个世纪八十年代初
物理学家预言在二维世界中
或许还存在着第三类粒子—— 任意子
任意子介于费米子和玻色子之间
它们既不会完全避开对方
也不会完全聚集起来
它们携带的电荷可以是比单电子少的分数
今年4月，《科学》刊登的一项研究报道了
物理学家通过创建一个二维的微型粒子对撞机
看到了介于费米子和玻色子之间的聚集行为
首次在实验室中找到了任意子存在的直接证据
9月，另一个研究团队在《自然》发表的新研究
发现了任意子存在的最有力证据
物理学家认为任意子将对建造量子计算机有着重要意义
3九章实现量子霸权
自量子计算机的概念提出以来
因为在解决一些特定任务时
其计算能力将远超经典计算机
2012年，物理学家 John Preskill
提出了“量子霸权” （或“量子计算优越性”） 一词
它是指量子计算机超越最先进的超级计算机的时刻
2019年，谷歌宣布首次实现量子霸权
其量子计算原型机“悬铃木”
是基于由超导材料构成的53个量子比特研制而成的
今年， 潘建伟 、 陆朝阳 等科学家组成的团队
成功构建76个光子的量子计算原型机“九章”
光子也属于玻色子
九章在处理被称为“高斯玻色取样”任务的速度
比目前最快的超级计算机快一百万亿倍
作为对比
九章的计算速度等效地比悬铃木快一百亿倍
实现了量子霸权的又一里程碑
4玻色-爱因斯坦凝聚
玻色子、费米子、任意子
它们之所以不同是因为它们服从不同的统计
比如任意子服从的是 分数统计
而费米子遵循的是 费米-狄拉克统计
玻色子则是遵循 玻色-爱因斯坦统计
上个世纪二十年代，玻色和爱因斯坦
以玻色最初关于光子的统计力学研究为基础
预言了当玻色子原子在冷却到接近绝对零度时
会呈现出所谓的 玻色-爱因斯坦凝聚 （BEC）
这也常被称为第五种物质状态
1995年
物理学家首次在实验中制造了BEC
之后便成为了各个实验室的“常客”
今年，物理学家首次在国际空间站的失重环境下
制造出了玻色-爱因斯坦凝聚
为一系列高精度的测量提供了新的方法
5首个室温超导体
除了玻色-爱因斯坦凝聚
当温度降低到接近绝对零度时
还会发生许许多多意想不到的事情
比如在一百多年前
物理学家 昂内斯 在对水银进行实验
意外地发现当水银被冷却到42开尔文时
其电阻会突然下降到零
这就是所谓的 超导现象
绝大多数的材料只有在极低温下
才会实现超导电性
例如“悬铃木”的超导量子比特
就需要保持在非常低温的条件下
这使超导的应用也受到限制
为此，物理学家一直致力于寻找
在室温下也能转变成超导体的材料
经过一百多年的搜寻
今年，物理学家首次在富氢材料中
观察到了室温下 （15 ） 的超导现象
虽然新型超导材料只能在超高压下才能运作
但也将人们对室温超导的期待再度推向新的高点
6声速的理论极限
理论上
金属氢也是一种近室温的超导体
今年一月份
物理学家通过“金刚石压砧”的装置
找到了能够金属氢存在的最有力证据
但物理学家还无法最终确认金属氢是否存在
根据计算表明，在金属氢中
声音的传播速度是最快的
可以达到35千米/秒
远比在任何材料中都快
今年，几位物理学家
通过两个基本常数，即
精细结构常数 和 质子-电子质量比
预测声波的传播速度不能超过36千米/秒
这比在空气中的声速高出约106倍
这一理论上限得到了两方面的支持
一是对金属氢中声速的计算
二是来自一系列固态材料中的声速实验数据
此外，物理学家在不久前
以迄今为止最高的的精确度
测量了精细结构常数
7迄今为止测量到的最短时间
声音的传播速度存在极限
光的传播速度也存在极限
那么时间呢？
是否有“最短时间”的极限？
根据已知的物理学定律
最小的时间尺度是普朗克时间
约为54 10 ⁴⁴秒
这是人类现有的测量技术
还无法企及的时间尺度
今年，物理学家测量了
一个光子穿过一个氢分子所需的时间
对分子的平均键长而言
这一时间大约是247 10 ²¹秒
这也是迄今为止成功测量的最短时间跨度
8从黑洞获取能量
在另一项研究中
物理学家利用声波验证了
今年的诺贝尔物理学奖得主 彭罗斯
在1969年的一个奇思妙想
一个旋转黑洞的事件视界的周围
会创造出一个叫做“能层”的区域
一个落入能层的物体
如果其中一部分分裂进入黑洞
另一部分则逃逸
那么逃逸的那部分就会有效地获取能量
1971年，物理学家 泽尔多维奇
构思了一个可以在地球实现的实验
来检验彭罗斯从旋转黑洞提取能量的想法
泽尔多维奇认为
如果有一个金属圆柱体
以合适的速度旋转
由于旋转多普勒效应这种特殊现象
“扭曲”的光波击中圆柱体的表面
最终会被从圆柱体旋转中获得额外的能量反射
现在，
格拉斯哥大学的研究人员终于找到了一种方法
他们通过扭曲声波，而不是光波
从实验上验证了这一50年前的理论
9核电共振的来临
一个好的想法
能够在提出之后的几十年
得到验证
是件非常美妙的事
今年，还有另一个这样的想法被验证了
回到1961年
因激光光谱学而获得诺贝尔物理学奖的
核磁共振先驱 布伦柏根 提出一个设想
他认为我们或许可以仅仅利用电场 （而非磁场）
就实现对单原子的原子核的控制
磁场的产生需要大线圈和大电流
它们的效应范围往往很广
要把磁场限制在非常小的空间里是非常困难的操作
而电场可以在一个微小电极的尖端产生
它可以在远离电极尖端的位置急剧下降
这种特性使得利用电场
来控制纳米电子设备中的单个原子变得容易得多
但布伦柏根的设想一直未得到实现
直到今年
一个工程师团队宣布他们意外地实现了这一壮举
这一发现或将对量子计算机和传感器的发展产生重大影响
10 铁电向列相液晶的首次观测
回到更早的100多年前
当时物理学家预言存在一种
非常有序的铁电向列相液晶
在这种相中
液晶特定团块 （或叫“畴”） 内的所有分子
都指向大致相同的方向
要么都向左，要么都向右
这种现象被称为极性排序
早在20世纪初
德拜 和 玻恩 就提出如果正确地设计液晶
它的分子可以自发地进入极性排序的状态
经历了一个多世纪的寻找后
研究人员找到了一种液晶的“铁电向列相”
打开了一扇通往新材料世界的大门
从新型显示屏到全新概念的计算机储存器
它有望开启大量的技术创新
相关文献：
[1] https://wwwnaturecom/articles/s41586-020-2177-0
[2]
https://sciencesciencemagorg/content/368/6487/173full
https://wwwnaturecom/articles/s41567-020-1019-1
[3] https://sciencesciencemagorg/content/early/2020/12/02/scienceabe8770full
[4] https://wwwnaturecom/articles/s41586-020-2346-1
[5] https://wwwnaturecom/articles/s41586-020-2801-z
[6] https://advancessciencemagorg/content/6/41/eabc8662
[7] https://sciencesciencemagorg/content/370/6514/339
[8] https://wwwnaturecom/articles/s41567-020-0944-3
[9] https://wwwnaturecom/articles/s41586-020-2057-7
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