Google Quantum AI团队的研究科学家Michael Newman曾有言：“相信某件事和看到它发挥作用是有区别的。”
这就是科技成果的魅力所在——变不可能为可能，让梦想走向现实。
2024年，科学头条旋风般地席卷了我们的屏幕，在国际量子年到来前夕，来自全球各地的科学家献上了完美的答卷。
“济南一号”微型卫星实现实时空对地量子安全通信，为构建量子网络筑牢了根基；核钟初鸣，标志着基于原子核的固态光钟的开启；全球首个机械量子比特诞生，让我们看到通往量子计算的更多路径；谷歌Willow芯片攻克了困扰量子纠错领域30年的重大难题，让量子的星光再度闪耀全球。
在此，光子盒团队根据技术突破、创新水平、社会反响等指标，整理并列举出2024年全球量子科技十大进展（见上图，排名不分先后）。
以下为这些科研成果的详细信息。
IBM | Google | 中国科学技术大学 | IMEC等
要论近期最火爆的量子计算技术路线，超导量子计算当之无愧。2024年是超导量子计算大爆发的一年，超导“御三家”于去年年底相继发布性能最强的量子芯片，分别是IBM的Heron R2，Google的Willow，中科大的祖冲之三号。
IBM Heron R2：IBM迄今为止性能最高的量子处理器
图：IBM Heron R2
来源：IBM
2024年11月13日，在公司首届量子开发者大会（QDC）上，IBM推出了一款量子计算机，能够运行包含高达5000个双量子比特门操作的量子线路。这项工作进一步扩展了IBM量子计算机的性能，超越了蛮力经典模拟方法的能力。
这台计算机使用了第二版IBM Quantum Heron（也称R2 Heron）处理器，是IBM迄今为止性能最高的量子处理器。使用相同的数据点在最新的IBM Heron处理器上运行与一年前相同的实验，可以在2.2小时内完成，速度提高了50倍。
IBM表示，他们的成果不仅仅局限于改进IBM的量子硬件和软件。它是对全球量子社区的一种行动号召，要求他们开发出能够充分利用这种系统的算法。
Google Willow：实现震撼全球的量子霸权
图：Google Willow
来源：Google
自2019年谷歌研制出具有53个量子比特的计算机“悬铃木”（Sycamore），在全球首次实现量子优越性以来，量子计算领域一直在期待新的重量级突破。五年磨一剑后，2024年12月10日，谷歌携全新芯片Willow王者归来。
与“悬铃木”相比，Willow在多个关键技术参数上实现了质的飞跃：物理量子比特翻两倍多，相干时间提升四倍，错误率降低了约两倍。
此外，Willow能在五分钟内完成当今最快的超级计算机之一Frontier需要10的25次方年才能完成的一项标准基准计算，还是首个突破量子纠错阈值的量子系统。
“这是迄今为止构建的最具说服力的可扩展逻辑量子比特原型，”Google Quantum AI的创始人兼负责人Hartmut Neven表示，“Willow使我们更接近于运行那些无法在传统计算机上复制的实用、商业相关的算法。”
图：“祖冲之三号”
来源：arXiv
在谷歌Willow发布刚满一周之际，2024年12月16日，中国科学技术大学、合肥微尺度物质科学国家研究中心等组成的研究团队在arXiv平台上发布了我国自主研制的超导量子计算机“祖冲之三号”的相关成果。
根据论文中的实验数据，“祖冲之三号”的性能优于谷歌“悬铃木”，各项性能指标也与Willow势均力敌。相较于“祖冲之二号”，“祖冲之三号”实现了多方面的显著性能提升。
“祖冲之三号”超导量子计算机原型机由105个量子比特组成，具有很高的操作保真度，在83个量子比特、32周期的随机电路采样实验中，“祖冲之三号”能够在短短几百秒内完成目前最强大的经典超级计算机Frontier需要约6.4×10⁹年才能完成的一百万样本的采集。
其经典模拟成本相较于谷歌的相关实验（SYC-67和SYC-70实验）也提高了六个数量级，从而在量子优越性方面确立了新的标杆。
2024年9月18日，比利时微电子研究中心（IMEC）、鲁汶大学的研究人员在《Nature》期刊上发表题为“Advanced CMOS manufacturing of superconducting qubits on 300 mm wafers”（300mm晶圆上的超导量子比特的先进CMOS制造）的研究论文。
研究人员在IMEC符合晶圆厂标准的洁净室中，使用行业标准方法在300毫米互补金属-氧化物-半导体（CMOS）先导线上制造超导transmon量子比特，实现了高相干性和98.25%的晶圆产量。
文中所提出的工业级制造工艺仅使用光刻和反应离子蚀刻，其性能和产量与使用金属剥离、倾斜蒸发和电子束写入的传统实验室式技术一致。此外，它还具有通过三维集成和更多工艺优化进一步升级的潜力，可以满足未来百万量子比特处理器的严格制造要求。
这一结果标志着一种用于超导量子计算处理器的替代性、大规模、真正兼容CMOS的制造方法的出现。
Quantinuum | 清华大学、华翊量子 | 中科大、幺正量子 | Oxford Ionics
图：来自H1-1的五个门区的双量子比特随机基准数据（虚线）和所有五个门区的平均值（蓝色实线）。所有区域都与99.9%一致，而且所有区域在误差条之外都大于99.9%
来源：Quantinuum
如果把量子计算比作一场球赛，2024年的Quantinuum已经接近于完成一场完美的比赛。
2024年4月16日，Quantinuum在一篇博文中宣布，他们的离子阱量子计算机成为首台实现99.914(3)%双量子比特门保真度的商用量子计算机。科学家们将这项成就称为“三个九”临界值——几十年来，人们一直期待量子计算机能实现“三个九”，即99.9%的双量子比特门保真度。
Quantinuum的高级研发经理Dave Hayes表示：“在QCCD架构中达到‘三个九’意味着在发生错误之前，系统可以完成大约1000次纠缠操作。进入这个新阶段后，我们能解决的问题范围将大大扩展。”
Quantinuum还在文章中指出，其离子阱量子计算机的量子体积（QV）已超过一百万，并以指数级增长。
图：实验获得512离子二维阵列图像与典型300离子单点分辨测量结果
来源：Nature
2024年5月29日，清华大学、华翊量子的最新科研成果发表于《Nature》（自然），这项成果被Nature审稿人称为“量子模拟领域的巨大进步”“值得关注的里程碑”。
研究团队首次实现512离子二维阵列的稳定囚禁冷却以及300离子量子比特的量子模拟计算。该成果实现了国际上最大规模具有单比特分辨率的多离子量子模拟计算，将原来该研究组保持的离子量子比特数国际记录（61离子）往前推进了一大步，并首次实现基于二维离子阵列的大规模量子模拟。
除了对于理解量子物质的性质和开发新型量子材料具有重要意义外，这种量子模拟技术也为解决优化问题和搜索问题等提供了新的途径，展示了量子计算在处理复杂计算任务上的巨大潜力。
11月1日，中国科学技术大学、幺正量子在《Physical Review Applied》期刊上发表题为“Low-crosstalk optical addressing system for atomic qubits based on multiple objectives and acousto-optic deflectors”的研究论文。
研究提出并实验展示了一种基于多目标和声光偏转器的低串扰光学寻址系统，旨在解决在量子计算和量子信息处理中如何精确操控离子量子比特这一问题，尤其是在多量子比特操作中如何减少光学串扰。该系统具有低串扰（近邻离子串扰小于千分之一）、高效率（独立离子微秒级的寻址切换）、可扩展性（可适用二维近千离子比特的操作）等优势，为容错量子计算提供了可靠的技术路径。
图：Oxford Ionics的芯片
来源：Oxford Ionics
7月11日，Oxford Ionics宣布其芯片在无需纠错的前提下，单量子比特门保真度达到了99.9992%，双量子比特门保真度达到了99.97%，创下了行业纪录。
利用专利的电子量子比特控制技术，Oxford Ionics成功地摒弃了传统依赖激光来操控量子比特的方式。研究人员采用了一种创新的嵌入式策略，将离子阱技术与硅芯片技术相结合，使得量子比特的控制组件能够直接嵌入到硅片中，从而可以利用现有的标准半导体制造设施和工艺，实现量子计算机的大规模生产。
NIST等 | 加州理工学院 | 中国科学技术大学
2024年美国国家标准与技术局（NIST）与科罗拉多大学博尔德分校物理团队在二维隧道耦合光学晶格中使用超冷原子实现了玻色子采样。
这项演示是通过此前未曾实现的多种工具的结合完成的，这些工具包括对晶格中的原子进行高保真光学冷却和成像，以及利用光镊对这些原子进行可编程控制。当拓展到相互作用系统时，研究展示了在各种哈伯德模型模拟中直接构建基态和激发态所需的核心能力。
在过去的数年里，光镊阵列对原子和分子物理学产生了变革性的影响，如今，它们已然成为众多处于前沿的量子计算、量子模拟以及量子计量学实验的支柱。然而，将原子量子比特的数量扩展至数千个，同时实现长的相干时间、低损耗以及高保真成像，是一项重大挑战。
2024年3月15日，加州理工学院的研究人员通过实验实现了一个光镊阵列，该阵列可在约12000个位点上囚禁超过6100个中性原子，同时在支撑这一平台取得成功的若干关键指标方面超越了现有最佳性能。
在将原子数量扩展到如此之多的情况下，研究还展示了12.6（1）秒的相干时间，创下了光镊阵列中超精细量子比特相干时间的纪录。
图：费米子哈伯德量子模拟器示意图
来源：Nature
来源：Science
来源：arXiv
来源：Nature
来源：Science
来源：Nature