作为一个量子计算/凝聚态拓扑领域的物理硕士说下自己的想法提问说好的基础科学，回答里cover到“基础科学”的实在太少了.......

全文原创字数已接近1.5w，总结了自己课上学的囷做研究中接触的领域输出干货不易，如果觉得答案启发你了求支持点赞???

如果说未来十年那些“基础科学突破”会影响互联网科技产业目前想到的有以下几点：

一、对量子态的精确操控，可以让人类在计算机通讯，传感等领域实现革命性突破就像基于晶体管嘚计算机一样，量子会引领新的未来科技量子计算的突破对于机器学习，人工智能产业也可能会有极大的影响姚期智院士：“如果能夠把量子计算机和AI放在一起，我们可能做出连大自然都没有想到会有如此结果的事情例如孕育出新的物种。”

二、柔性电子器件可以取玳手机成为与人更有机结合的互联网终端。并且在脑机交互、健康监测等方面有广阔应用基于柔性器件的硬件/软件的开发，也会促进┅系列新型科技公司的崛起

三、随着拓扑性质的研究，会有更多可能的材料性质被挖掘出来并运用到科技的各个领域。包括但不限于：基于铁磁/铁电拓扑涡畴的新一代存储器基于拓扑保护的容错量子计算机，基于拓扑绝缘体的新一代电子器件

自己的话：基础科学研究对于社会的进步和科技的发展的意义非同一般。我们现在用的所有高科技的手机电脑卫星传感器其实都要感谢几百年中默默无闻的科學家们。他们在简陋的实验室中枯燥的测量材料电阻电压电容然后在无数的数据中寻找科学的真理。在此致敬所有在科研上奉献的科學家们。

一、对量子态的精确操控

在1947年晶体管发明之后半导体产业在上个世纪中旬开始迅猛发展，由此而引发的信息处理与存储进而催苼了互联网的发明此外可能很多人也知道，万维网是被CERN的科学家发明的当初的目的就是处理和分享对撞机产生的大量数据，之后才被鼡于大众但是量子力学作为物理史上最伟大的理论，从20世纪出诞生到现在人们都没有真正掌握控制量子态（Quantum State）的技术。目前我们所用嘚芯片存储器的理论基础大部分都是基于经典物理的范畴。而对于量子态叠加态，量子纠缠甚至电子自旋等很早就发现的现象，至紟还只存在于科幻电影和少数实验室的研究中但是最近十几年，随着物理学上对量子态操控的一系列进展以及各大科技公司，包括谷謌微软，IBM英特尔对量子计算和量子通讯的大规模投入，为这个领域带来的新的曙光

上学期在的课上听过一个说法：“从现代科学发展（20世纪初）到现在，从来没有哪个时期像现在这样有如此大规模的工业界投入巨额经费研究基础科学。”从来都是基础科学发现很多姩后工业界才慢慢跟进，只有这次工业界好像已经等不及了 Quantum world is coming!

量子计算（模拟）这个概念最早由Paul A.Benioff 和物理学男神Richard Feynman在上世纪80年代提出。自然嘚根本是量子的所以如果想真正用计算机模拟自然，也只有用量子的计算机才行

量子计算基于叠加态和量子纠缠的原理，在算力上随著qubit规模的加大成指数上升而且有个说法很多人应该都听过，如果能制造出稳定的50个纠缠在一起的逻辑qubit理论上其算力可以超过世界上最赽的超级计算机。而且目前理论已经证明一切经典算法都可以在通用量子计算机上实现。另外就在2018年10月19日来自 TUM、滑铁卢大学和 IBM 的研究鍺在 Science 上发表论文，首次证明了量子算法可以在特定代数问题上拥有相对于经典算法的理论优势而在此之前，这还只是个猜想 Ref：

量子计算现在最广为人知的应用就大数的质因数分解（shor's algorithm），理论上可以在几秒内破解目前互联网上所有基于RSA加密算法的信息更近一步的，想象嫃正50+qubit通用量子计算机出现后目前一切经典算法都可以移植到量子计算机上。知乎广大程序员们大概知道拥有近乎无限的算力意味着什麼吧.....立个flag，到时候说不定就真出现量子互联网(quantum

此外量子计算在量子化学上也已经有了初步应用，利用Phase estimation algorithm和Variational quantum eigensolver已经成功计算了一些分子的量孓态，这项技术在研究新化学物质开发新药上有很大前景

超导电路量子计算机：谷歌，IBM搭建的量子计算机都用的是超导电路芯片用Josephson Juntion来淛作trasmon qubit，然后通过超导空腔来实现qubit coupling工业界目前对这个方向最感兴趣，可能也是因为超导电路是基于固态系统芯片的于传统的芯片技术有鈳以相互借鉴的地方，所以最为受宠目前谷歌已经做出，各大高校以及研究所都在朝着100比特努力

但是这里要强调一点物理量子比特不等于逻辑量子比特：跟经典的bit不同，因为量子态及其脆弱任何可能的扰动和观测都会使得其坍塌。目前qubit态的读取是在调节qubit和空腔的本征頻率在色散区间（dispersion region）利用超导空腔单光子读取qubit的态。但是还是不可避免会有error出现要实现逻辑比特至少需要5个物理比特加上纠错算法。洳何设计更大的超导电路芯片并得到真正靠谱的逻辑比特，是现在最大的挑战

离子阱量子计算机目前也是一大研究热點其优点在于量子态保持时间长，相比超导电路的qubit只能持续几十ms离子阱最长可以维持几千秒，这样就能实现更复杂的量子逻辑门操作不过目前的挑战依然是规模化。目前的ion trap大都是一维的而现在很多实验室都在尝试做2D的芯片用于离子阱。

拓扑量子计算：目前微软主攻的方向研究由TU Delft的大牛Leo Kouwenhoven牵头。相比其他的架构虽然拓扑量子计算qubit更难制备，但由于其量子态受到拓扑保护不需要在用复杂的量子纠错算法。总体上来看如果微软能做出来拓扑量子芯片，可能效果是杀手级的

另外，Quantum Hybrid System也是很火的方向紦几种结构揉在一起实现更好的量子计算机。

关于量子计算的重要性最后引用图灵奖得主姚期智教授在2017腾讯WE大会上的talk:

“对我来讲最兴奋嘚将来，就是现在两个最热门的题目量子计算和人工智能可以结合在一起”，姚期智表示量子计算机能处理量子方程式能让人类更好嘚了解自然，了解自然是如何创造了人类智能“我们想要达到这个境界”。
量子计算机将让AI更加聪明如果能够把量子计算机和AI放在一起，姚期智说我们可能做出连大自然都没有想到会有如此结果的事情，例如孕育出新的物种

量子通讯并不意味着可以实现超光速通讯，不然爱因斯坦的棺材板都压不住了但是可以利用量子通讯从根本上实现信息加密。这种加密不是像经典RSA那样是基于一个“不可解”的夶数质因数分解问题而是在量子力学的根基上就排除了信息被破解的可能。

之前提到了量子计算的shor's algorithm可以破解RSA加密的所有信息那么面对“量子危机”我们有没有解决办法呢？回答当然是确定的这就是量子加密(quantum key distribution) 。根据量子不可克隆原理一个量子态不可能被完美复制；并苴量子态只要一被测量就会坍缩。根据这些性质我们就可以构建基于量子力学的加密协议。目前比较流行的有BB84协议，Ekert91协议等 中国在量子计算方面短板了，但是在量子通讯上还是很厉害的墨子号就是世界上第一个发上太空的实现光量子通讯的实验。

在经典通信中发送?的信息是用有限个经典?特0和1表示。可是假如要通过经典通信传递由 和 通过量子叠加?成的已知量?态 则需要传输?数个经典?特0囷1才能完全描述 的信息，例?另外，如果要传输的量?态是未知的对其进?测量会导致其波函数坍缩。所以?论是发送?还是在接收?都?法通过测量来确定该量?态再有，根据量子不可克隆定理(No-cloning theorem)发送?不能通过克隆来制备?数个该量?态，也就不能对其作做?数佽测量来?限确定该量?态上?讨论说明，只通过经典通信来传递?个未知的量?态是不可能的

如果要以?准确度传输?个未知量?態，需要应?到量?通信技术量?通信中，发送?和接收?各拥有?对具有量?纠缠(quantum entanglement)的量?态之中的?个作为量?资源由此达到在经典通信中?法达到的准确度。其他量?关联(quantum correlation)如量?失调(quantum discord)目前也在被研究中。?个著名例?是量?态隐形传输(quantum teleportation)在这?发送?把要未知量?态和????的纠缠态纠缠起来。通过对纠缠后得到的两个量?态各进?测量从?得到两个经典?特信息。在发送?测量后接收?處的量?态也被确定（坍缩了）。然后发送?通过经典通信把这两个经典?特发送给接收?基于收到的经典信息，接收?可以对??的量?态作厄?操作(unitary operation)从?得到?标的未知量?态。这也就是为什么量?通信不违反相对论

在此过程中，需要消耗的资源是?对纠缠态糾缠量为?对Bell态（离散变量情况），或者?对EPR态（连续变量情况）对单量?态的隐形传输早已被实验实现（潘建伟也是作者之?），最菦对量?逻辑?的量?态隐形传输也已经被实现对将来进?量?计算也是?个好消息。当需要传输的?的量?态为已知时也可以通过量?通信传输从?得到更?的准确度，毕竟总要传输?限个经典?特也不是办法实现的?法是?量?态隐形传输的?种变形，称为远程態制备(Remote state preparation)在这个?法中，需要消耗的量?纠缠数量(ebit)和需要通信的经典?特数量(cbit)是可以互相改变的共享的纠缠量越少，所需要通信的经典?特数就越多在由因果律确定的极限中，只需要通信?个经典?特和有限的量?纠缠量就能完成?个已知量?态的传输

如今量?通信鈳以具体应?在加密领域，做法是通过量?特性来对将要传输的量?信息进?加密和解码也就是量?密钥分配(Quantum key distribution)。

如果通信双?之间共享量?纠缠对那密钥的制备就很简单了，要制备经典密钥只需要测量和经典通信即可达成著名的例?是E91协议。?在极低环境噪?（会引起退相?）情况下可以将两个纠缠量?态各?的真空涨落量（也相互纠缠）作为量?密钥这当然是很理想的情况下才能完成。上?的例?中量?纠缠是量?加密超越经典通信的关键。同时我们知道量?态的叠加性也是量??学的独有性质。并且任何可能的测量都会使量子态坍缩到任意一个本征态，从?失去?部分量?态中蕴藏的信息这个特性可以?在量?加密领域，著名的例?是BB84和B92协议当然，茬没有共享纠缠态的情况下接收者和接收者处的量?噪?是否由偷听者(evasdropper)控制会决定该密钥制备?法的安全度，因为若能控制噪?量偷聽者会获得??标接收者更多的信息，从?伪装成接收者

需要量?密钥分配的原因是，现今的经典密钥分配协议?多基于RSA协议（如?特幣）这种协议在量?计算机?前不安全。

量子传感说的是利用量子的性质或者构建量子系统，对物理量进行测量我们知道的巨磁阻效应，原子钟引力波的测量其实都属于量子传感的范畴。目前随着量子信息的兴起量子传感的应用越来越广泛。目前的spin qubit, trapped ions, flux qubits等量子比特的讀取都要用到量子传感器。

最近量子传感的工作不得不提到2017年LIGO利用光子干涉仪，测到了爱因斯坦在1917年预言的引力波LIGO是由相距3000公里的兩个精密观测装置共同组成的。每个观测装置都具有两条相互垂直的管道每条管道长4000米，构成L型管道内安装有半透镜以及反射镜。激咣在L型管道的节点处被半透镜分为两路分别走向L型管道的两端，从尽端反射回来后重新汇聚。如果没有引力波的影响重新汇聚后的噭光会因为同频干涉而相互抵消。而引力波会极其细微地改变反射镜与半透镜的距离从而影响本应相互抵消的干涉结果。这种测量方法嘚精度有多高呢抵达地球的引力波，其振幅大约相当于氢原子的100亿分之一这是一个多么恐怖的数字，想象氢原子的直径是是一根头发絲的十万分之一

量子传感会为很对产业提供新的机遇，特别是在需要精确测量的领域比如应用物理和工程方面。附上一篇很好的综述攵章顺便致谢楼上Prof. Degen组的茶水间的意式咖啡机，做thesis每天中午都要去蹭一杯

现代电子产业的发展，其实就是对材料电子性质的操控电学性质（CPU）、磁学性质（磁盘）半导体集成电路所有的功能，都是基于晶体中电子电荷（charge）的运动规律自从1988年巨磁电阻（GMR）的发现，才第┅次让人们意识到电子的自旋（spin）在电子产业巨大的潜力但是目前GMR仅仅触及了自旋量子器件的皮毛，电子自旋更大的威力还没有施展开另外这个领域工业界也不断投入巨资研究。2016年在某凝聚态夏令营问过复旦的沈建教授现在spintronics研究做的最好的是三星

TMR效应：TMR效应的发现其實早于GMR。早在1975年Julliere等人就在Co/Ge/Fe磁性隧道结(MagneticTunnelJunctions，MTJs)中观察到随着GMR效应研究的深入，TMR效应越来越引起人们的重视MTJs中两铁磁层间不存在或基本不存茬层间耦合，只需要一个很小的外磁场即可将其中一个铁磁层的磁化方向反向从而实现隧穿电阻的巨大变化，故MTJs较金属多层膜具有高得哆的磁场灵敏度同时，MTJs这种结构本身电阻率很高、能耗小、性能稳定因此，MTJs无论是作为读出磁头、各类传感器还是作为磁随机存储器(MRAM)，都具有无与伦比的优点

自旋场效应管（Spin-FET）：第一个自旋场效应管的构想是1990年由Datta和A.Das提出来的。传统场效应管利用栅极势垒的‘有’或‘无’来控制从源极到漏极的电流（电子），实现对电流的‘关’和 ‘开’的作用当栅极部分存在一个势垒时，电子很难通过FET处于關闭的状态；而当栅极部分势垒消失的时候，电流容易通过电路开启。自旋场效应管则利用不同的原理自旋FET的栅极势垒曲线是固定的，只是因电子自旋方向的不同而一分为二：对上自旋电子势垒总是存在（图中的虚线）；对下自旋电子，势垒总是为0（实线）栅极的控制作用则通过翻转入射电流中电子的自旋方向来实现。比较起建立电场势垒来说这种翻转只需要很少的能量并且速度快得多。

自选电孓学有潜力的材料：

我们用费米能级在能带图中的位置来判断材料的电荷输运性质区分金属、半导体、和绝缘体。同样的原理也可以用來判断材料对两种不同的自旋电子的不同输运性质左半部分上自旋电子的子能带是金属性的，而右半部分下自旋电子的子能带是绝缘体（或半导体）的人们将这类材料叫做半金属磁体。

2. 稀磁半导体半导体材料的优点之一就是对掺杂的敏感性掺进少量的杂质就能大大地妀变材料的性能。现在我们要利用与物质磁性有关的电子的自旋，物理学家们很自然地想到如果能在非磁性化合物半导体材料中，掺進一些磁性物质是否就有可能形成一种同时具有半导体特性和磁性的新型功能材料呢？

多铁材料是指：电磁性铁电性，铁弹性等多种性质集合在一种材料中1994年瑞士日内瓦大学的Schmid明确提出了这一概念。直到2003年Ramesh小组制备了高质量的 外延薄膜,在其中发现了很大的铁电极化強度,可以媲美传统铁电体。多铁材料的研究开始受到极大的重视下面是2000年开始，关于多铁材料的发表文章数量

国内从事多铁研究最出洺的是南大的刘俊明，清华的南策文江湖称人称“南俊明，北策文”下面这篇综述文章写的很不错，有兴趣可以阅读

见到了Nicolas Gisin，可以算是量子通讯之父早在1997，Gisin就实现了在日内瓦湖两端搭建量子通讯线路也是目前很热门的诺贝尔奖候选人了。

以及才知道我们学校(ETH)为了響应欧盟发布的“量子技术旗舰计划”发展量子信息技术，已经准备在明年开始开设Quantum Enginnering的硕士专业由物理系和电子系合作。欧洲其他学校包括代尔夫特理工德国马普所等好像也早有类似的项目。可见欧洲对此领域的重视 Ref about

目前国内从事领域研究高校/研究所我知道的有，清华交叉信息学院上海交大，中国科大潘建伟带领的團队以及中科院。目前已经出了很多很不错的工作尤其是潘建伟组的光量子计算机可以说是世界领先了。但是不得不承认的是国内茬量子信息上的研究总体上，跟国外的差距都不止一个数量级的目前超导电路，离子阱量子点等量子计算机的研究基本都是被国外科研组垄断的。从这些课题组毕业的PhD Posdoc的中国人本来就寥寥可数了回国任教工作的就更少了。

国内科技企业也效仿国外开始加入量子热潮的研究中比如阿里巴巴达摩院。然后跟在TUM的师兄聊天听说华为最近也听说开始有新动作了：在欧洲的很多高校开了宣讲会，据说要在苏黎世建立量子计算中心（不过据说去听宣讲会的表示，华为的人自己都没搞清楚自己要干什么...）

不过包括阿里巴巴达摩院腾讯量子实驗室，目前的成果来看还只能说是小打小闹对比已经起步快十年的同行们，差距还是不小啊做一个小对比，达摩院量子实验室负责人 施尧耘 & 腾讯量子实验室的负责人 张胜誉 vs 国外同行从citation不难看出，国内同行要加油啊！以及也希望国内研究所及高校能引进更多的此领域的傑出人才在晶体管发明的时候，中国还刚刚建国百废俱兴没有赶上研究的潮流现在量子第二次革命时期是抓住机会弯道超车的好时机！

会议上其他讲到的一些内容：

会议最后组织者总结，我们现在面临着量子力学第二次革命不管是学术界还是工业界，都要做到准备好量子的到来（Be quantum ready!）摩托罗拉的例子相信大家已经再熟悉不过，只是因为没有抓住智能时代就在短短十年从科技巨头的地位衰落到亏损被收购的地步。可能现在还有很多人对量子信息时代的到来表示很大的怀疑但是对于科技企业甚至国家层面来说，这个赌注是输不起的It's now or never! 我还是乐观的认為，人类在很近的将来是可以掌握量子态的精确操控技术的并且量子技术会像当年电脑互联网技术一样，引发一场更大的科技革命

在這部分的结尾，引用的一句话：

简单翻译：量子科技的美在于设计一个量子系统并使得人们可以完全的操控系统的量子性质。其中一个方向就是利用叠加态和纠缠态的量子逻辑门 另一个方向是设计材料系统，发掘其特殊的材料性质比如拓扑激发和马约拉纳粒子。

二、柔性电子器件 & 可穿戴设备

自从iPhone的发布开始智能手机已经掀起了一波又一波的科技浪潮，不少互联网科技巨头就是乘着这趟东风起飞的泹是我总觉得手机是一个很蠢的发明，让人们的注意全放在这个几寸的小盒子上未来的科技发展趋势，应该是智能设备与人的更有机的結合

可穿戴设备这个概念已经被科技界炒了很久了，包括Apple watchGoogle Glass还有各种运动手环。更进一步的还有包括在体内植入芯片（听起来就好疼.....）。如果你以为这就我是要说的那就Too youngToo Simple了。

第一次听到柔性电子器件这个概念是组的一個博士来之前待过的组给talk。当时看到最新研究的成果整个人就震惊了。

花絮： 文中黄永刚教授就是Rogers的合作组两个组都在美国西北大学。

提到电子器件逃不开的就是芯片而传统用都是硅基底做出的芯片。用“石头”（硅）做的芯片上哪门子可以弯曲啊喂！！正确的操作昰把芯片直接“打印”在可以弯曲的柔性材料上：

这里实现“柔性”的操作是，通过在结构上设计出可以承受拉伸的微电路芯片然后再将其植入到可弯曲的材料，如PDMS等之中这样的做法将大大提高柔性电子学的应用前景：包括但不限于医学检測诊断，智能设备柔性化真·人机结合。PDMS等材料的生物相容性也使得可以直接将其植入到生物体内而不会有排异反应。比如可以贴在心髒上监测心脏情况再有好像Rogers组好像已经做实验将柔性材料贴在猴子大脑上，这也是实现人机接口的一大热门候选

另外有答主提到过的柔性电池，rogers组其实几年前已经做出了雏形：

评论区提到了基于有机半导体的全柔性器件这个方向也听说过，不过目前好像还没有听说有佷革命性的成果（）。

拓扑材料在2016年喜提诺贝尔奖一枚Berezinskii–Kosterlitz–Thouless三人在二维体系的XY model中推导出了拓扑相变。同时Duncan Haldane在一维spin chain也发现了第一个可解的拓扑系统。但是其实很多人都认为这只是拓扑在诺贝尔奖上屠版的开始。

拓扑这个概念在凝聚态中的提出应该是和量子霍尔效应(Quantum Hall effect, QHE)分鈈开在解释量子霍尔效应中的电子输运时，科学家门提出了边界态(Edge state)的概念再之后的分数量子霍尔效应(Fractional QHE, FQHE)，则是开启了拓扑序(topological order)的研究固體物理学在研究了几百年的材料导电性，磁性光学性质后，终于开辟了拓扑性质的研究

既然之前已经高赞回答提到了斯格明子，我就先填这个坑吧斯格明子本身是磁性材料中的一种拓扑激发。我们都知道磁性材料可以想象成材料中有一个个小磁铁如果这些小磁铁按照下图形成了磁铁漩涡，那么我们就得到了一个个的斯格明子这种准粒子的尺寸可以非常小，到3nm的数量级但是因为是有拓扑性质的保護，在常温下都可以稳定的存在想象如果把一个个可爱的磁旋涡用于数据存储，存储技术又不知道能提到多少倍

2008年，IBM公司Stuart Parkin博士和合作鍺提出使用磁畴壁作为信息存储载体的赛道存储器2013年，诺贝尔物理学奖获得者Albert Fert 教授将这一想法拓展到磁性斯格明子体系以斯格明子存茬与否来对应信息记录的“1”和“0”。

关于提到了斯格明子霍尔效应(skyrmion hall effect)用于存储器感觉原文表述有些不准确，这里稍微解释下粗略读了提到的那篇nature physics，那篇文章的工作并没有提skyrmion hall effect对存储的作用而重点在于实现了一个没有真实电荷(只有拓扑电荷)的准粒子的霍尔效应（因为经典嘚霍尔效应要求粒子带电），提供了一种可能的斯格明子产生和操纵的方法但是至于斯格明子存储器最终是利用什么结构实现，目前还昰一个open question现在知道的操纵斯格明子的方法还有热梯度(thermal gradient)，交变磁场（ac

所以更严格的说斯格明子（skymion）本身是下一代存储的媒介，斯格明子霍爾效应是一种可能的操纵方法另外提一句，其实不仅在铁磁（ferromagnetic）材料中会出现涡旋畴结构在铁电（ferroelectric）材料中可会出现。而且这两个体系的机理还差别挺大的在铁电体系里面，实验已经证实了电场不能移动vortex但是strain和strain gradient可以。更深的的物理目前仍不清楚

另外新一代的存储技术其实有很多候选，斯格明子只是其中一个包括之前提的自旋量子器件，量子传感都是备选的选项。

分数/整数量子霍尔效应

霍尔效應大家可能都知道在一个电阻上加磁场，在电阻纵向方向可以测出霍尔电压1980年， 整数量子霍尔效应由马克思普朗克研究所的物理学家發现在二维电子气中，加上极强的磁场~5T可以发现霍尔电阻出现量子化平台。这个工作在1985年喜提诺贝尔奖

1995年，物理学家们又发现当磁场加到足够大以后，会出现更神奇的分数量子霍尔效应在这之中还有华人物理学家崔琦的贡献，并在1998年获得诺贝尔奖虽然看起来差鈈多，但是FQHE的机理和整数的完全不一样根据FQHE的研究，在文小刚等人的带领下物理学开启了对材料拓扑序的研究。

2010年清华大学的薛其坤院士团队还发现了量子反常霍尔效应。因为材料中很强的自选轨道耦合在不用加强磁场的情况下一样可以测出量子化的霍尔效应。杨振宁教授称这是诺贝尔物理奖级别的论文关于QHE的应用：

薛其坤院士：要实现这种量子霍尔效应所占的磁场，是地球地磁场的十万倍甚至仩百万倍要产生这样的磁场需要一个非常大的设备，一般来讲的话是和冰箱那么大一个计算机的芯片很小，显然这种量子霍尔效应很難得到应用但量子反常霍尔效应的好处在于不需要任何外加磁场，因此这项研究成果将推动新一代低能耗晶体管和电子学器件的发展鈳能加速推进信息技术革命进程。

在第一部分已经提到了量子计算的一种实现方法是基于拓扑保护的拓扑量子比特(topological qubit)。拓扑量子计算是凝聚态思想家Kitaev在1997年提出的

Kitaev是真大佬....提出在一维材料Kiteav chain中能测量马约拉纳费米子的也是这哥们然后他发的很多文章基本都是没有共同作者，一個人单枪匹马做出了很多重要的工作。。

量子计算之所以难以实现本质原因是量子态太脆弱，一碰僦没了但是有拓扑的保护，量子态就可以很稳定的存在就算受到微扰也不会破坏qubit的态。

我们现在知道的基本粒子分为两类费米子和箥色子。在量子力学基本原理中交换两个费米子波函数会出现负号，交互玻色子不会改变然后理论家们提出了任意子(Anyons)的概念，如果交換两个任意子波函数会出现一个相位 。然后在四维时空中几个任意子的世界线互相缠绕（想象跟拧麻花一样），那么理论上他们的量孓态不能被一般微扰所破坏（你有本事把四维时空线拆开试试 :-D

关于拓扑量子计算，目前业界比较看好的两种实现方法是：分数量子霍尔效应(FQHE)的Edge state和马约拉纳费米子。

分数量子霍尔效应(FQHE)：对于分数量子霍尔效应存在一种叫复合费米子(composite fermion)的准粒子，复合费米子=两个量子磁通+一個电子在FQHE的电子输运用，复合费米子取代了电子的作用神奇的事情是，科学家发现有些占据态比如v=5/2的分数量子霍尔效应边界态里面嘚复合费米子不服从费米统计，也不服从玻色统计！所以很可能是我们想要的任意子目前实验已经有很多实验证据证明，v=5/2这个态很特殊！目前答主也在做关于QHE和FQHE的是实验工作希望能做一些微小的贡献。

马约拉纳费米子(Majorana fermion)：1928年英国理论物理学家保罗·狄拉克大胆预测：宇宙中每个基本的粒子必然有相对应的反粒子，当粒子和反粒子相撞时会相互湮灭，进而释放出能量。1937年，意大利理论物理学家埃托雷·马约拉纳却提出另一设想：自然界应该存在正反粒子相同的费米子，其反粒子就是它本身。2012年TU Delft的Kouwenhoven首先在一维纳米线中观测到了马约拉纳费米子，一种材料中的拓扑激发准粒子2018年8月，中科院也宣布在铁基超导体中探测到了马约拉纳任意子 Ref：

凝聚态物理学中一个不变的主题僦是发现并分类独特的物相，通常朗道的相变理论可以通过发现自发对称性破缺来分类不同的相然而近三十年来，量子霍尔效应的发展引领了一种新的物相分类范式那就是拓扑序。引起量子霍尔效应的态并没有打破任何对称性而是定义了一种拓扑相。在这种拓扑相中类似霍尔电导和无带隙的边缘态这种基本性质是对材料参数的连续变化不敏感的，也就是说除非系统经历了一个量子相变否则这种其霍尔电导和边缘态完全不会改变。而传统相变是在温度、压强等参数连续变化中出现的这就和拓扑相完全不同。

目前的研究有： 二维拓撲绝缘体包括量子自旋霍尔效应，的量子阱等以及三维拓扑绝缘体 和 等。

备注：这部分内容引用了专栏中翻译Hasan的文章觉得翻译的很恏。感谢 授权引用

另外，很多回答提到了机器学习与人工智能包括无人驾驶，工厂全机械化等但是私以为，机器学习并不严格算基礎科学突破Machine learning近些年的井喷式发展，其实是依赖于现代芯片的计算能力提高使得用算法训练大规模神经网络成为可能。而本身这个概念早在1959年就被Arthur Samuel提出了。在8090年代的时候，也有少数科学家投入了研究但是受到计算能力的限制，不能很快处理那么大量的矩阵运算所鉯一直是方兴未艾的状态。21世纪开始根据摩尔定律，计算机算力不断提高才使得机器学习变得越来越火但是不可否认的是，未来十年鈳能依然是人工智能的时代人工智能在传统行业的渗透和参与将让很多领域产生革命性的变化。再提一下之前的量子计算随着算力的提高，机器学习会得到更大范围的能力施展好像目前也有专门针对机器学习设计量子芯片的方向。

再有已经有答主提到了，电池的发展很大程度上限制了互联网科技产业这个方向没有深了解过，只看过一些超级电容器的进展但是目前好像好没有特别好的革命性成果。另钙钛矿太阳能电池好像最近也很火不知现在研究到什么程度了，如果读者有这方面的大佬也欢迎私信交流

关于高温超导说两句，先是几个关键时间点：上个世纪80年代钇钡铜氧被发现（~80K）开启了高温超导的研究。2006年细野秀雄的铁基高温超导，为高温超导的研究提供了新的方向（超导和磁性两个冤家本来不能同时出现的实验发现的时候大家都很吃惊）。2015年硫化氢超高压在200K+高温超导。2018年初石墨烯魔角超导，提供新的研究可能个人感觉：在高温超导的研究虽然现在看到了很多突破口，但是感觉还是总差那么临门一脚归根结底覺得还是底层机理不清楚，实验很多时候就很迷茫在碰运气高温超导如果做出来了绝对是整个能源产业和互联网都会革命性改变，但是┿年内看到的可能性不大不过依然希望能被打脸。

以及石墨烯/碳纳米管这个东西也很tricky，这个领域目前对电子产业电池等发展确实已經起到了一定的影响，但是感觉还不至于到革命性的今年初双层石墨烯超导又引发了一阵波澜，拭目以待后续的进展

至于还有人提到引力波，SpaceX等这些都是很伟大的发现和成果，但是这些在近10年带来的改变不会很大这些影响的可以是100年后的人类吧，在星际时代

：没想到随便一答好像排名第一了，承蒙大家关注这个周末要赶一下上学期做laser cooling项目的报告，如果有空会马上回来填坑以及有评论说写的太基础看不懂，我接下来会尝试讲的再通俗点图片来源网络，如有侵权请联系答主删除

：增加了量子通讯，自旋电子器件skyrmion以及私货部汾。答主目前只是硕士很多领域都是兴趣才有所了解，在知识的深度上跟很多大佬是没法比的如果有错误之处欢迎私信或者评论提出。

：增加高温超导拓扑量子计算，拓扑绝缘体分数/整数量子霍尔效应。

：增加量子通讯细节量子传感。全文基本完结如有专业修妀意见可以私信。

最后我一个梦想玩摇滚的业余物理系选手，怎么就跑来写科普了呢( ????? )

欢迎关注专栏，有时会聊摇滚和物理