《2024研究前沿》摘选——物理学篇

物理领域位居前 10 位的热点前沿主要集中于凝聚态物理、理论物理、半导体物理、量子物理和高能物理。凝聚态物理方面的热点前沿有 3 个，新型超导材料的研究依然保持了很高的热度，富氢化物连续四年入选热点前沿，笼目超导材料 AV3Sb5 和无限层型镍酸盐也连续两年入选热点前沿。理论物理方面聚焦修改的引力理论研究，即f(Q) 引力理论。半导体物理方面涌现 3 个新出现的热点前沿，包括量子点发光二极管、微型发光二极管（MicroLED）以及氧化镓功率器件。量子物理方面的热点前沿有 2 个，双场量子密钥分发持续入选热点前沿，半导体量子计算是新出现的热点前沿。高能物理方面，暗物质粒子候选者之一的轴子备受关注，轴子暗物质探测成为了新的热点前沿。

与经典计算相比，量子计算具有指数级的潜在计算速度优势，因此，世界主要国家都在大力推进量子计算的发展。量子计算有多种技术路线，目前呈现出并行发展的态势。半导体量子计算是主要的技术路线之一，可与现代半导体工艺技术兼容，受到了全球高校、科研机构、大型企业的广泛关注。

半导体量子计算中，硅基自旋量子比特是当前的热门研究方向，主要聚焦量子比特的操作保真度和量子比特的集成。近年来，硅基自旋量子比特的研究取得了一系列重大的突破。在量子比特的操作保真度中，先后实现了超过容错阈值的单电子自旋量子比特门操作保真度（99.9% 以上）、99% 以上的两量子比特门操作保真度，以及实现锗空穴量子比特及其超快操控等重大进展。在量子比特的集成中，取得了自旋量子比特与超导腔的强耦合、四量子比特处理器、六量子比特处理器，以及高于1K温度下的自旋量子比特操控等突破。尽管半导体量子计算已取得了长足的发展，但目前仍处于探索阶段，其不断发展将助力通用量子计算机的实现。

暗物质是当代物理学和宇宙学研究中最重要的未解之谜之一。多年来，大质量弱相互作用粒子（WIMP）一直是暗物质粒子的主要候选者，国际多个暗物质搜寻实验都以 WIMP 为 目 标。 近 年 来，暗物质粒子的另一个候选者――轴子，引起了广泛的关注。不少国家已经部署轴子暗物质实验，包括美国轴子暗物质实验（ADMX）、美国 HAYSTAC 实验、韩国 CULTASK实验、德国 MADMAX 实验等，这些实验陆续取得了不错的成果，使轴子暗物质探测成为了新的研究热点。