《物理世界》2024年度科研突破：量子纠错能力向实用化迈出重要一步

新Willow芯片。图片来源：谷歌量子AI实验室。

由于与环境的相互作用（噪声）引起的错误是所有量子计算机的致命弱点，量子纠错被称为这一技术的决定性挑战。这两支团队在截然不同的量子系统上取得了重要进展，向克服这一挑战迈出了重要一步。这一突破意味着量子计算机向实用化迈出了重要一步。

量子纠错通过将一个量子信息单元（称为逻辑量子比特）分布在多个不同的物理量子比特上（如超导电路或囚禁原子）来实现。尽管每个物理量子比特都可能受到噪声干扰，但它们可以协同工作，以在足够长的时间内保留逻辑量子比特的量子态，从而完成计算任务。

除此之外，《物理世界》还评选出了其他9项成果，共同作为“2024年度物理学十大突破”。这十大突破是由《物理世界》的编辑团队从今年发表在网站上的数百项物理学领域的最新研究中筛选出来的，除了必须在2024年被《物理世界》网站报道过外，入选候选名单的研究还必须满足以下标准：

• 是物理学知识或认知的重大进展；
• 对于科学进步或现实应用具有重大意义；
• 《物理世界》读者对其拥有极大兴趣。

以下是今年《物理世界》评选出的十大物理学突破中的其余9项（排名不分先后）。

吸光染料使活体小鼠皮肤变透明

常见的黄色食用染料柠檬黄溶液。图片来源：美国得克萨斯大学达拉斯分校。

美国斯坦福大学由Zihao Ou（现就职于德州大学达拉斯分校）、Mark Brongersma和Guosong Hong领导的研究团队开发了一种方法，可使活体小鼠的皮肤暂时变得透明。皮肤是一种散射介质，是不透明的。然而，他们发现常见的黄色食品染料柠檬黄能强烈吸收近紫外光和蓝光，帮助使生物组织变透明。研究人员将这种染料涂抹在活体小鼠的腹部、头皮和后肢，使得无需手术即可通过皮肤观察内部器官，例如肝脏、小肠和膀胱。他们还能观察到啮齿动物大脑中的血流情况，以及其后肢中肌肉肌节纤维的精细结构。这一效果可以通过简单冲洗染料来逆转。这种“光学清除”技术目前仅用于动物实验，但如果推广到人类，可能会使某些侵入性活检成为历史。

激光冷却正电子

欧洲核子研究中心（CERN）与日本东京大学的Kosuke Yoshioka团队成功演示了正电子的激光冷却技术。通过将正电子冷却至低温，团队不仅能够更精确地研究这些反粒子，还能显著提高反氢（由正电子和反质子组成的反原子）的产量，预计可增加一到两个数量级。这一成就也标志着在理解和研究反物质领域的一个重要进展。

肺细胞建模用于个性化放疗

放射疗法是肺癌治疗的一种有效手段，但其对健康组织有潜在损害。英国萨里大学的Roman Bauer、德国GSI亥姆霍兹重离子研究中心的Marco Durante，以及GSI与美国马萨诸塞总医院/哈佛医学院的Nicolò Cogno组成的联合团队开发了一个计算模型，在纳米尺度上模拟了肺泡接受辐射的过程。该模型能够依据传递给每个细胞的辐射剂量及其分布情况，预测细胞的存活或死亡，并评估从数小时到数年时间段内辐射损伤的程度。该模型将优化肺癌的放射治疗方案。

半导体石墨烯自带“开关”

生长在碳化硅衬底上的石墨烯器件。图片来源：美国佐治亚理工学院/中国天津大学。

中国天津大学与美国乔治亚理工学院的Walter de Heer、马雷及其团队攻克了长期以来阻碍石墨烯电子学发展的关键技术难题：通过对外延石墨烯生长过程的精确调控，成功在石墨烯中引入了带隙，创造了一种新型稳定的半导体石墨烯。同样在今年，英国曼彻斯特大学Marcelo Lozada-Hidalgo及其国际团队利用石墨烯能够同时传导质子和电子的特性开发了新型器件，其中质子电流被用来执行逻辑操作，而电子电流则用于编码部分内存。这些成果被认为是开启石墨烯芯片制造领域大门的重要里程碑。

单个原子核衰变探测

美国耶鲁大学David Moore、Jiaxiang Wang及其团队开发了一种技术，通过将放射性铅-212原子嵌入微米尺寸的二氧化硅球中，测量这些原子核衰变时从球体逸出所产生的反冲，以此来检测单个氦核的衰变。这项技术提供的高灵敏度，也使中微子的检测成为可能。

两种不同原子核描述首次统一

美国麻省理工学院的Andrew Denniston、德国明斯特大学的Tomáš Ježo及其国际团队，首次成功统一了两种不同的原子核描述方式。他们将粒子物理学中关于原子核由夸克和胶子构成的观点，与传统核物理学中将原子核视为相互作用的质子和中子集合的观点结合起来。这标志着人们对于原子核结构及强相互作用的理解取得了重要进展。

小型低成本钛蓝宝石激光器

美国斯坦福大学的Jelena Vučković、Joshua Yang、Kasper Van Gasse、Daniil Lukin及其团队开发了一种紧凑的单晶钛蓝宝石—绝缘体的光学器件。该激光器只需一个简单的绿色LED作为泵浦源，成本和占地面积降低了3个数量级，功耗降低了两个数量级，且能够调整激光的波长。未来人们有望将钛蓝宝石激光器从大型实验室设备转变为便携式、低成本的工具。

利用纠缠光子编码和增强图像

两个国际研究团队展示了量子技术在光学领域的潜力。法国索邦大学的研究人员Chloé Vernière和Hugo Defienne开发了一种使用量子纠缠将图像编码进一束光的方法。在另一项合作研究中，他们与英国格拉斯哥大学的Patrick Cameron及其他团队成员联手，探索了如何利用纠缠光子来提升自适应光学成像的质量。这些成果推动高精度成像技术的进步。

月球背面首批样本返回

2024年6月25日，中国嫦娥六号月球探测器首次完成人类从月球背面采样的壮举，携带1935.3克样品返回地球。11月15日，中国科学家采用嫦娥六号月球样品做出的首批两项独立研究成果，同时刊登在国际学术期刊《自然》与《科学》杂志上。两项研究首次揭示月球背面约28亿年前仍存在年轻的岩浆活动，填补了月球玄武岩样品在该时期的记录空白。

本文翻译内容来源：科技日报