光子盒研究院出品

2021年，量子領域實現了許多重大突破：量子計算優越性繼續凸顯、經典演算法模擬量子電路取得前所未有的突破、首次利用量子計算機制造時間晶體、基於門的量子計算機的量子位元數量首次突破100、實現4600公里天地一體化量子保密通訊網路、實現首個

基於糾纏的

多節點量子網路等等。任何技術的進步，背後都離不開科研人員的默默付出。

今年，光子盒繼續著眼於全球，遴選出量子領域十大人物。但與去年有所不同，今年入選的年度人物主要來自學術領域。

具體排名不分先後，僅按照姓氏首字母進行排序。

Andrew Dzurak

新南威爾士大學教授

新南威爾士大學教授

在過去的十年中，澳大利亞新南威爾士大學（UNSW）科學教授Andrew Dzurak團隊展示了使用與製造傳統計算機晶片相同的矽製造技術完成的第一個也是最準確的量子邏輯閘。

2021年8月，Andrew Dzurak團隊的研究宣佈消除了量子計算機成為現實的一個主要障礙：發現了一種新技術，將能夠控制數百萬個自旋量子位元——矽量子處理器中的基本資訊單元。

研究小組沒有在同樣需要包含數百萬個量子位元的縮圖大小的矽晶片上安裝數千條控制線，而是研究了從晶片上方產生磁場的可行性，這個磁場可以同時操縱所有的量子位元。

接下來，該團隊計劃使用這項新技術來簡化近期矽量子處理器的設計。

“移除晶片上的控制線，可以為更多的量子位元和構建量子處理器所需的所有其他電子裝置騰出空間。這使得下一步生產具有數十個量子位元的裝置的任務變得更加簡單，”Dzurak教授表示。

上榜理由：提出控制數百萬個量子位元的方法√

荷蘭代爾夫特理工大學物理系教授

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2021年12月，2022年度Physica獎授予了代爾夫特理工大學量子計算和量子網際網路傑出教授、QuTech團隊負責人Ronald Hanson，以表彰他在量子控制和量子糾纏領域傑出的科學貢獻：2015年，他的團隊成功地在超過一公里的距離上糾纏了兩個電子；2018年，他的團隊能夠以比丟失更快的速度產生量子糾纏。

2021年4月，荷蘭代爾夫特理工大學Ronald Hanson團隊報告了第一個多節點量子網路的實現。量子網路由三個量子節點組成，中間節點（Bob）與兩個外部節點（Alice和Charlie）都有物理連線，每個節點相互建立糾纏連線。Bob配備了一個額外的量子位元，可以用作儲存，允許在建立新連線時儲存先前生成的量子連線。在建立了量子連線Alice–Bob和Bob–Charlie之後，Bob的一組量子操作將這些連線轉換為量子連線Alice-Charlie。或者透過在Bob處執行一組不同的量子操作，在所有三個節點之間建立糾纏。這是第一次由量子處理器構建網路：過去十年來，許多平臺都展示了兩個處理器之間的單一連線，但尚未實現任何網路。

Ronald Hanson表示：“毫無疑問，量子技術將對世界產生深遠的影響，改變資訊和通訊技術系統，為全社會帶來好處。”團隊計劃目前的原理驗證方法將在實驗室外的現有電信光纖上進行測試，其中第一個都會網路預計將於2022年完成。

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Ronald Hanson

上榜理由：實現世界首個基於糾纏的多節點量子網路√

20世紀80年代，郭光燦率先將量子光學理論體系引入國內，並身體力行推進相關研究和教育工作。此後，他在國內最早將目光投向量子資訊領域，並承擔國家“973計劃”專案，為中國的量子資訊研究與國際同行並駕齊驅作出了巨大貢獻。

2021年1月，郭光燦院士團隊在量子通訊和量子網路的研究中取得重要進展：李傳鋒、柳必恆研究組與南京郵電大學盛宇波等人合作，利用高品質的超糾纏源，首次實現了11公里的遠距離量子糾纏純化，純化效率比此前國際最好水平提升了6000多倍；同月，郭光燦院士團隊在多引數量子精密測量研究中取得重要實驗進展：李傳鋒、項國勇研究組與香港中文大學袁海東教授在量子精密測量實驗中，完全消除了量子位元演化過程中三個待測引數之間的精度制衡，同時實現三個引數達到海森堡極限精度的測量，測量精度比經典方法提高了13。27dB。

3月，郭光燦院士團隊在整合光學晶片領域取得新進展：鄒長鈴研究組在整合光子晶片上實現了基於微腔簡併模式的高效光子頻率轉換，並進一步探究了微腔內的級聯非線性光學效應，實現跨波段的頻率轉換和放大；同月，郭光燦院士團隊還在量子資訊基礎理論研究中取得重要進展：李傳鋒、項國勇研究組與華沙大學Alexander Streltsov等人合作，將複數作為一種量子資源，揭示了其在區域性量子態區分中有著不可替代的作用，並且更進一步在量子資源理論的框架下，研究了該種資源的度量方式以及在各種量子操作下的轉化問題。

4月，郭光燦團隊李傳鋒、周宗權研究組將光儲存時間提升至1小時，大幅重新整理2013年德國團隊所創造的光儲存1分鐘的世界紀錄，向實現量子隨身碟邁出了重要的一步；同月，郭光燦院士團隊在光量子資訊處理領域取得重要進展：李傳鋒、許金時等人與上饒師範學院李波、梁曉斌、南開大學陳景靈合作，實驗實現了光量子資訊的掩蔽，成功地將量子資訊隱藏到非局域的量子糾纏態中；不僅如此，郭光燦院士團隊在矽基自旋量子位元操控研究中還取得了重要進展：郭國平、李海歐研究組與合作者以及本源量子計算公司合作，對整合微磁體的矽基量子點進行研究，發現了自旋量子位元操控的各向異性——透過改變外加磁場與矽片晶向的相對方向，可以將自旋量子位元的操控速率、退相干速率和可定址性進行同時最佳化。

5月，郭光燦院士團隊在矽基半導體鍺奈米線量子晶片研究中取得了重要進展；同月，郭光燦院士團隊在微波諧振腔探測半導體量子晶片上取得重要進展：郭國平、曹剛等人與本源量子計算有限公司合作，利用微波超導諧振腔實現了對半導體雙量子點的激發能譜測量。

6月，郭光燦院士團隊李傳鋒、周宗權研究組利用固態量子儲存器和外接糾纏光源，實現了兩個吸收型量子儲存器之間的可預報量子糾纏，並首次演示了多模式量子中繼，為構建高效率的全固態量子網路奠定了基礎；同月，郭光燦院士團隊在光量子晶片研究中取得重要進展：任希鋒研究組與中山大學董建文、浙江大學戴道鋅等研究組合作，基於光子能谷霍爾效應，在能谷相關拓撲絕緣體晶片結構中實現了量子干涉。該成果為拓撲光子學特別是能谷光子拓撲絕緣體結構應用於更加深入的量子資訊處理過程提供了全新的思路。

7月，郭光燦院士團隊在量子儲存及量子網路研究中取得了原創性進展：李傳鋒、周宗權研究組提出並進行實驗實現了無噪聲光子回波，實測噪聲比前人的結果降低了670倍並首次觀察到了單光子的光子回波，由此實現了高保真度的固態量子儲存；同月，郭光燦院士團隊在碳化矽色心自旋操控研究中取得重要進展：李傳鋒、許金時等人與匈牙利魏格納物理研究中心合作，在國際上首次實現了單個碳化矽雙空位色心電子自旋在室溫環境下的高對比度讀出和相干操控。

8月，郭光燦院士團隊在基於離子阱系統尋找黎曼函式零點的研究中取得重要進展：李傳鋒、黃運鋒、崔金明等人聯合西班牙理論物理學家Charles Creffield教授和German Sierra教授，利用週期性地驅動囚禁離子的量子狀態，成功在實驗上測量到黎曼函式的前80個零點。

9月，郭光燦院士團隊在高維量子通訊研究中取得了重要進展：李傳鋒、柳必恆研究組與奧地利Marcus Huber教授等人合作，在高噪聲環境下實現了高效的高維量子通訊；同月，郭光燦院士團隊在機器學習提高超導量子位元讀取效率上取得重要進展：郭國平教授研究組與本源量子計算公司合作，在本源“夸父”6位元超導量子晶片上研究了串擾對量子位元狀態讀取的影響，並創新性地提出使用淺層神經網路來識別和讀取量子位元的狀態資訊，從而大幅度抑制了串擾的影響，進一步提高了多位元讀取保真度。

10月，中國計算機學會（CCF）量子計算專業組成立大會召開，郭光燦院士當選專業組首屆主任。

11月，郭光燦院士團隊在奈米尺度量子感測研究中取得重要進展：孫方穩教授課題組將量子感測技術與光學超分辨成像技術相結合，研究奈米尺度電磁場的超小局域和高精度探測，實驗實現了百萬分之一波長尺度電磁場局域。基於該發現，進一步將局域電磁場能量和與物質相互作用強度分別提升了8個和4個量級；同月，郭光燦院士團隊在高維量子通訊研究中取得重要進展：李傳鋒、柳必恆研究組與電子科技大學王子竹教授、奧地利高小欽博士、Miguel Navascués教授等合作，首次實現了高維量子糾纏態的最優檢測。

12月，郭光燦院士團隊在冷原子超分辨成像研究中取得重要進展：李傳鋒、黃運鋒、崔金明等人在離子阱系統中實現了單個離子的超分辨成像。

除了基礎研究外，郭光燦院士還很關心中國量子資訊的產業化。談及中國的量子生態，郭光燦院士表示：“我們的應用生態系統處於早期探索階段，大部分公司都希望量子計算機建成後能被企業使用，這與目前量子計算的發展模式並不一致。我們應該在企業使用量子計算機時對其進行升級和修改。這是加速發展的途徑。”

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Vedika Khemani（上圖左）博士畢業於普林斯頓大學物理系，目前任斯坦福大學應用物理系助理教授；Pedram Roushan（上圖右）在伊朗出生和長大，博士畢業於普林斯頓大學，目前就職於谷歌量子硬體團隊，研究重點是使用工程量子平臺模擬凝聚態系統。

自時間晶體從2012年首次被假設以來，一直都只是理論上的。2021年11月，兩位科學家作為第一作者，聯合近100位頂尖物理學家在Nature期刊上發表了Time-Crystalline Eigenstate Order on a Quantum Processor論文，聲稱已經在谷歌的量子處理器“懸鈴木”（Sycamore）中構建了這種全新的物相。

郭光燦

研究者採用了一個時間反轉協議來量化外部退相干的影響，並利用量子典型性來規避密集取樣特徵譜的指數成本。此外，還透過一個實驗性的有限尺寸分析定位了離散時間晶體的相變。這些結果在谷歌量子處理器Sycamore上建立了一個可擴充套件的研究非平衡相物質的方法。

對於團隊來說，新研究的成功不僅僅是意味著創造新的物相，還在於開闢了探索凝聚態物理領域新機制的機會，在這一層面上，粒子的相互作用可能帶來新現象和特性。

中國科學院院士、中國科學技術大學教授、中國科學院量子資訊重點實驗室主任

上榜理由：將光儲存時間提升至1小時；首次演示了多模式量子中繼√

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1982年出生的陸朝陽，如今已在量子領域深耕近20年。

2020年12月，潘建偉、陸朝陽團隊成功構建了76個光子100個模式的高斯玻色取樣量子計算原型機——“九章”，它對於處理高斯玻色取樣的速度比目前世界排名第一的超級計算機“富嶽”快一百萬億倍。

成為繼谷歌後全球第二個實現“量子計算優越性”的量子計算系統。

2021年11月，潘建偉、陸朝陽團隊將光量子計算機“九章”探測到的光子從76個增加到113個，速度相比九章1。0提升9個數量級。這一結果對應了希爾伯特空間維數高達10的取樣，對比超算執行的暴力求解取樣演算法實現了10倍（億億億倍）的計算速度優勢，比九章（10）高9個數量級。

同月，德國Falling Walls“2021年度十大科學突破”正式公佈，潘建偉和陸朝陽因為“利用光子證明量子計算優越性”（“九章”）獲得年度突破獎。

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Vedika Khemani& Pedram Roushan

上榜理由：利用谷歌量子處理器製造時間晶體√

自2004年以來，Lukin一直是哈佛大學物理學教授，目前任哈佛科學與工程量子倡議的聯合主任和哈佛-MIT超冷原子中心的聯合主任。

在團隊2017年開發的51量子位元系統的基礎上進行升級，2021年7月，Mikhail Lukin團隊用舊的系統捕獲超冷銣原子，並使用一種稱為光鑷的一維單獨聚焦鐳射束陣列按特定順序排列它們，開發出了一種特殊型別的量子計算機——可程式設計量子模擬器，能夠操作256個量子位元。這個模擬器已經讓研究人員觀察到了幾種以前從未在實驗上實現過的奇異物質量子態，並進行了精確的量子相變研究。

憑藉其在科學界的重大貢獻，2021年10月，美國物理學會（APS）將Norman F。 Ramsey獎（原子、分子和光學物理以及基本定律和對稱性的精確檢測）授予哈佛大學Mikhail Lukin教授，表彰他對量子資訊科學、感測和物理的貢獻，包括研發基於裡德堡原子的量子模擬器。

12月，Mikhail Lukin還和哈佛大學、麻省理工學院（MIT）的同事提出了一種經典演算法：僅1個GPU的資源，可以在數秒之內獲得與迄今為止三個隨機量子電路取樣“量子計算優越性”實驗相當的XEB（交叉熵基準）值。這意味著，新的演算法0。6秒就可以獲得與谷歌“懸鈴木”、中國科大“祖沖之2。0”（祖沖之二號）相當的XEB值，1。5秒獲得與中國科大“祖沖之2。1”相當的XEB值。

Mikhail Lukin表示：“該系統標誌著向製造大規模量子機器邁出了重要一步，我們正在進入量子世界的全新領域。”接下來，Lukin團隊還積極探索如何將該系統用於新的應用——從探索量子物質的奇異形式到解決具有挑戰性的現實問題——這些問題可以自然地編碼在量子位元上。

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中國科學技術大學常務副校長、中國科學院院士

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潘建偉院士於1987年進入中國科學技術大學，後來進入奧地利維也納大學攻讀博士學位，最終回到中國科學技術大學。回國後的潘建偉院士迅速嶄露頭角：先是於2011年當選中國科學院有史以來最年輕的院士，又於次年當選發展中國家科學院院士；隨後在2014年成為了中國科學技術大學副校長。

2020年，潘建偉團隊宣佈“墨子號”衛星在國際上首次實現千公里級基於粒子糾纏的量子金鑰分發（QKD）；成功構建了76個光子100個模式的高斯玻色取樣量子計算原型機“九章”。

2021年1月，潘建偉院士團隊宣佈建成跨越4600公里的天地一體化量子通訊網路；3月，潘建偉、竇賢康、徐飛虎等在國際上實現了1。43公里的遠距離非視域成像，首次將成像距離從米級提高到公里級，為非視域成像技術的開拓及在實際場景中的應用開闢了新道路；7月，潘建偉團隊聯合浙江大學儲濤教授研究組，透過研製矽基光子整合晶片和最佳化實時後處理，實現了速率達18。8Gbps迄今最快的實時量子隨機數發生器。

8月，團隊基於量子隱形傳態，更是創造性地提出了直接測量多粒子量子波函式的新方法。與標準量子態斷層掃描相比，提出的方法可以有效減少測量裝置數量。

9月，包括中國科學技術大學潘建偉、陸朝陽和奧地利維也納大學Anton Zeilinger在內的一個國際研究團隊提出了一種可以實現容錯量子計算機的糾錯方案。科學家們演示了將編碼在物理位元（physical qubit）上的量子資訊透過隱形傳態技術（teleportation）傳送到保真度高達0。786的量子糾錯空間保護下的邏輯位元（logic qubit）。

10月，潘建偉、陸朝陽、朱曉波、彭承志等

展示了一種新的高效能超導量子處理器的量子計算機輔助設計——他們使用變分量子本徵求解器（VQE）模擬約瑟夫森結陣列量子電路，從而發現了一種新型高效能量子位元：

plasonium。

這項工作為利用現有量子計算資源設計高階量子處理器開闢了道路。

不僅如此，潘建偉院士的成就更是體現在當下備受矚目的在量子計算機研發領域。2021年5月7日，《科學》雜誌發表中國科學技術大學潘建偉團隊研究成果，其成功研製出了量子計算原型機“祖沖之號”，操縱的超導量子位元達到62個，並在此基礎上實現了可程式設計的二維量子行走；10月底，中國科學技術大學研究團隊的兩篇實現“量子計算優越性”的論文同時在國際期刊《物理評論快報》上發表，分別是潘建偉、朱曉波團隊的超導量子計算機“祖沖之二號”和潘建偉、陸朝陽團隊的光量子計算機“九章二號”。這是中國超導量子計算機首次實現量子計算優越性。至此，

這一發現顛覆了熱力學第二定律，也可能是近幾十年來最為重大的一種物理發現。

未來，潘建偉院士希望構建出完整的天地一體廣域量子保密通訊網路體系，並與經典通訊網路實現無縫連線。以量子資訊為代表的第二次量子革命，一定會為人類社會帶來更偉大的機遇。

陸朝陽

青年物理學家、中國科學技術大學教授

上榜理由：“九章二號”量子計算原型機√

2021年11月，霍尼韋爾的子公司Quantinuum實現了一個新成果：在證明基於離子阱技術的大規模量子計算可行性方面邁出了重要一步。Ciaran Ryan-Anderson領導的研究團隊宣佈，他們可以建立單個邏輯量子位元並應用多輪量子糾錯。這個邏輯量子位元可以防止量子計算機中發生的兩種主要型別的錯誤：位元翻轉和相位翻轉。

這一成果在業界尚屬首次突破，邏輯量子位元的增加將迎來容錯量子計算機的新時代，這也是大規模量子計算的里程碑。但是Ciaran Ryan-Anderson仍在努力跨越量子糾錯的收支平衡點——邏輯量子位元錯誤率低於物理量子位元錯誤率的點（建立邏輯量子位元和應用量子糾錯碼也會給系統帶來噪聲）。他表示，“我們相信這些改進是可行的，並正在推動完成下一步。”

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Mikhail Lukin

量子計算飛速發展的同時，經典模擬演算法和底層硬體正在不斷改進。2020年，阿里巴巴量子計算團隊使用張量網路方法估計，在Summit超級計算機上模擬“懸鈴木”的53量子位元和20層迴圈的電路取樣只需要20天。

2021年3月，中國科學院的張潘及其學生提出了一種big-head張量網路方法：使用60個英偉達GPU組成的小型計算叢集在5天的時間內完成了谷歌的量子霸權實驗。他們從具有53個量子位元和20個週期的Sycamore電路中生成了100萬個固定條目的相關位串，線性交叉熵基準保真度（FXEB）為0。739，遠高於谷歌的結果。

2021年10月，

張潘團隊提出了一種新的方法來經典地解決樣本不相關的問題，只需縮並相應的張量網路一次，並且在獲得大量具有目標保真度的不相關樣本方面比現有方法要高效得多。

對於具有53個量子位元和20層迴圈的“懸鈴木”量子電路，他們在一個有512個GPU的計算叢集上花費了大約15個小時。

哈佛大學物理系教授

上榜理由：領導團隊開發出256位元量子模擬器√

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朱曉波於2003年畢業於中科院物理所，2003年至2008年留所工作，隨後加入日本NTT基礎物性研究所超導量子計算和線路小組。2013年，朱曉波進入中科院物理所工作，又於2016年加入中國科技大學。

經過多年攻關，2021年5月，潘建偉、朱曉波、彭承志等組成的研究團隊成功實現62位元可程式設計超導量子計算原型機“祖沖之號”，並在此基礎上實現了可程式設計的二維量子行走；6月，潘建偉、朱曉波研究團隊又成功研製出66量子位元可程式設計超導量子計算原型機“祖沖之二號”，並利用其中的56量子位元完成了“

潘建偉

”實驗，後於11月將量子計算優越性提升了三個數量級。

除了成功研製“祖沖之號”之外，2021年10月，潘建偉、陸朝陽、朱曉波、彭承志等人組成的研究團隊展示了一種新的高效能超導量子處理器的量子計算機輔助設計——他們使用變分量子本徵求解器（VQE）模擬約瑟夫森結陣列量子電路，從而發現了一種新型高效能量子位元：plasonium。

2021年量子科技領域的累累碩果，離不開全球科研工作者的默默付出。

國內的科學家除了入選本次2021十大年度人物的以外，還有諸如杜江峰院士、金賢敏教授

、郭國平教授

、彭承志教授

、李傳鋒教授、尤立星教授等等，同樣在量子科研的一線默默耕耘

，做出了許多推動未來發展的重要貢獻。

上榜理由：建成天地一體化量子通訊網路；速度最快的量子隨機數發生器；領導兩項研究實現“量子計算優越性”√