研究进展

中国科学技术大学潘建伟、张强等与清华大学王向斌、济南量子技术研究院刘洋、中国科学院上海微系统所尤立星、张伟君等合作，通过发展低串扰相位参考信号控制、极低噪声单光子探测器等技术，实现了光纤中1002公里点对点远距离量子密钥分发，不仅创下了光纤无中继量子密钥分发距离的世界纪录，也提供了城际量子通信高速率主干链路的方案。相关研究成果于5月25日发表在国际学术期刊《物理评论快报》（Physical Review Letters）杂志。量子密钥分发（QKD）基于量子力学基本原理，可以在用户间进行安全的密钥分发，结合“一次一密”的加密方式，进而可实现最高安全性的保密通信。然而，量子密钥分发的距离一直受到通信光纤的固有损耗和探测器噪声等因素的限制。双场量子密钥分发（TF-QKD）协议利用单光子干涉的特性，将成码率与距离的关系从一般量子密钥分发的线性关系提升至平方根的水平，因此可以获得远超过一般量子密钥分发方案的成码距离。在这项工作中，研究团队采用了王向斌等提出的“发送-不发送”双场量子密钥分发协议，该协议在现实条件下可以有效地提升量子密钥分发系统工作距离。为了进行极远距离的量子密钥分发，

中国科大郭光灿院士团队在二维材料固态自旋色心领域取得重要进展。该团队李传锋、唐建顺、王轶韬等人与匈牙利魏格纳物理研究中心的Adam Gali教授研究组合作，报道了六方氮化硼（hexagonal boron nitride，hBN）中一类超亮的具有优异光学性质和自旋性质的单自旋色心，并实现了对其在室温下的相干操控。该成果5月20日发表在国际知名期刊《自然•通讯》上。固态自旋色心是实现量子信息技术的重要体系之一，比较著名的是金刚石中的NV色心，目前已经在量子计算、量子传感、量子网络等方面取得重要进展。近年来，宽禁带材料hBN被证明是自旋色心的优秀宿主，由于其二维特性，在低维量子器件制备、近场传感探测等方面相对于三维体材料有特殊优势，hBN中的自旋色心已成为当前的一个研究热点。hBN中已发现的自旋色心包括带负电硼空位色心（negatively charged boron vacancy，VB-）和几类与碳相关色心。其中VB-色心是hBN中研究最广泛的自旋色心。李传锋、唐建顺研究组实现了基于VB-色心的温度传感[ACS Photonics 8, 1889 (2021)]，并揭示了其

中国科大郭光灿院士团队在量子信息基础研究中取得重要进展。该团队李传锋、许金时、孙凯等人实验研究了量子导引在开放系统中的动力学演化，验证了非马尔科夫记忆效应在恢复量子导引过程中的作用。该研究成果于5月16日在线发表在国际知名学术期刊《物理评论快报》上。量子导引是介于量子纠缠和贝尔非局域性之间的一种量子非局域关联，描述了一方的局域测量影响另一方量子态的现象。其特有的方向性允许存在单向量子导引，即一方可以成功地导引另一方，反之却不行。目前大多数量子导引的研究都是在封闭量子体系下进行的，而实际情形中，量子系统和环境之间的相互作用是不可避免的，并且这种相互作用通常会使得系统的信息逐渐向环境耗散。然而，在非马尔可夫环境中，其记忆效应会使得已耗散的信息从环境回流到量子系统中，具体回流的能力由环境的非马尔可夫度进行刻画，更高的非马尔可夫度意味着更强的信息回流能力。近年来，李传锋、许金时、孙凯等人对量子导引开展了一系列的实验研究，包括全对无量子导引的验证[PRL 113, 140402 (2014)]、单向量子导引的实现[PRL 116, 160404 (2016); PRL 118, 14

中国科学技术大学盛东教授与卢征天教授的联合课题组利用高精度氙同位素共磁力仪寻找中子自旋与万有引力的耦合效应，实验发现中子在自旋朝上与朝下之间的重量差别小于十万亿亿分之二（2×10-21），结果将该效应的耦合强度设定了新的上限。相关成果以“Search for Spin-Dependent Gravitational Interactions at Earth Range”为题于5月15日发表在《物理评论快报》上[Phys. Rev. Lett. 130, 201401 (2023)]。美国物理学会的《物理》杂志同时发表题为“Testing Gravity’s Effect on Quantum Spins”的报道，指出这项精密测量研究在量子理论与引力相遇的区域做出了新的探索。图 1 实验发现中子在自旋朝上与朝下之间的重量差别小于十万亿亿分之二。自然界有四种基本物理相互作用力，它们当中唯有引力还未在实验上发现与粒子自旋相关。假如自旋与引力耦合，那么处于不同自旋态的粒子在地球重力场中就会有极其微小的能量和受力差别。自上世纪70年代以来，研究人员发展出了多种经典或者量子测量方法来寻找

中国科大郭光灿院士团队在单个碳化硅自旋色心荧光增强的研究中取得新进展。该团队李传锋、许金时等人成功利用表面等离激元大幅增强了单个碳化硅双空位PL6色心的荧光亮度，并利用共面波导的特性大幅提高了自旋操控效率。这项技术成本低、无需复杂的微纳加工工艺，且不影响色心的相干性质，对于发展基于碳化硅自旋色心的量子应用具有重要意义。研究成果5月8日以“Plasmonic-enhanced bright single spin defects in silicon carbide membranes”为题，在线发表在国际知名期刊《Nano Letters》。固态自旋色心是用于量子信息处理的重要体系，其荧光亮度是迈向实用化量子应用的重要参数。通过与固态微纳结构耦合来实现自旋色心的荧光增强是一种常用的方法。人们已经提出并实现了多种不同的方案，包括加工固体浸润透镜、纳米柱、牛眼环、光子晶体微腔和光纤腔等。然而，这一方向依然存在许多具有挑战性的问题需要解决，例如色心自旋性质容易受到复杂微纳加工过程的影响，以及色心与微纳结构之间难以对准等。李传锋、许金时研究组独辟蹊径，利用等离激元实现碳化硅中自旋色

近日，我校郭光灿院士团队与曼彻斯特大学、南洋理工大学合作，利用量子技术在复杂系统随机建模中的信息存储方面取得重要进展。该团队李传锋教授和项国勇教授与合作者使用单个量子比特的内存实现的量子模型可以获得比相同内存维度的任何经典模型更高的精度。该研究成功展示了量子技术在复杂系统非马尔科夫过程建模中的存储优势。该工作以“Implementing quantum dimensionality reduction for non-Markovian stochastic simulation”为题于5月6日在线发表于Nature Communications。图1 实验中进行量子模型模拟的经典时钟过程概念图；基于酉操作的量子模型线路图从化学反应到金融市场，从气象系统到星系形成，人们需要处理各种规模的复杂过程。随机建模能够帮助我们预测这些过程的未来行为。然而，由于这些随机过程通常是非马尔可夫的，其未来行为不仅取决于当前状态，也基于它的过去状态。为了模拟这样的过程，必须有一个存储器来存储系统的大量的观测信息。信息存储量将直接和预测未来行为的精度关联，因此，这在实践中将导致一个瓶颈，需要在减少内

中国科大郭光灿院士团队在硅基半导体量子计算研究中取得重要进展。该团队郭国平教授、李海欧教授等人与南科大量子科学与工程研究院黄培豪助理研究员、中科院物理研究所张建军研究员以及本源量子计算有限公司合作，在硅基锗量子点中实现了自旋量子比特操控速率的电场调控，以及自旋翻转速率超过1.2 GHz的自旋量子比特超快操控，该速率是国际上半导体量子点体系中已报道的最高值。该工作对提升自旋量子比特的品质具有重要的指导意义。研究成果以“Ultrafast and Electrically Tunable Rabi Frequency in a Germanium Hut Wire Hole Spin Qubit”为题，于4月26日在线发表在国际纳米器件物理知名期刊《Nano Letters》上。硅基半导体自旋量子比特以其长量子退相干时间和高操控保真度，以及其与现代半导体工艺技术兼容的高可扩展性，成为实现量子计算机研制的重要候选者之一。高操控保真度要求比特在拥有较长的量子退相干时间的同时具备更快的操控速率。传统方案利用电子自旋共振方式实现自旋比特翻转，这种方式的比特操控速率较慢。研究人员发现，利用电

中国科大郭光灿院士团队在量子精密测量的研究中取得重要进展。该团队李传锋、陈耕等人与香港大学同行合作，利用量子不确定因果序实现了超越海森堡极限精度的量子精密测量。研究成果于5月1日以“Experimental super-Heisenberg quantum metrology with indefinite gate order”为题发表在国际著名期刊《自然·物理》上。量子精密测量致力于把量子力学原理运用到各种测量任务中以实现超过经典极限的测量精度。海森堡极限被认为是利用量子方法和资源所能达到的最终极限。之前国际上曾有一些工作声称超越了海森堡极限，然而这些工作利用了非线性效应或者包含了含时的哈密顿量，引起了广泛讨论，最终被理论上证明在以能量等作为规范化资源定义的前提下仍然会遵循海森堡极限。图1：量子不确定因果序的示意图。蓝色和红色路线经过两个门的时序不同且处于量子叠加态。近年来，学术界提出一种新的量子结构，即量子不确定因果序。量子力学的叠加原理不仅允许不同量子本征态之间的叠加，也允许两个事件处于两个相反时序的量子叠加上（如图1所示）。这样一种新型的量子资源已经被证实可以

中国科大郭光灿团队在非绝热几何量子计算领域取得重要进展。该团队郭国平教授研究组与本源量子计算公司合作，在本源“夸父”6比特超导量子芯片上实现了演化路径缩短近两倍的非绝热几何量子计算，并展示了单比特几何相位门对拉比频率误差的绝对优势。该成果以研究长文的形式发表在4月25日出版的国际应用物理知名期刊《Physical Review Applied》上。超导量子比特是公认的最有希望实现量子计算的几个物理系统之一，目前正处于含噪声中等尺度量子计算阶段，超过50个比特的样品和基础的纠错算法已经被展示。但是控制和环境噪声限制了超导量子计算的进一步发展，如何实现对操控噪声不敏感的高保真度量子逻辑操控是实现大规模量子计算的关键。几何量子计算是利用几何相位来实现量子逻辑门操作的量子计算策略，其特点是利用几何位相的整体几何性质来避免某些局域无规噪声的影响，从而实现高保真度的量子逻辑门。因此，基于阿贝尔和非阿贝尔几何相位的几何与和乐量子操控是量子物理和量子信息领域中非常重要的研究课题。图1 (a)“夸父”6比特超导量子芯片电镜图，前两个相邻的比特被用于展示本文的实验。(b)传统动力学门方案(Dy

中国科大郭光灿院士团队在量子比特操控方案研究中取得重要进展。该团队郭国平教授、李海欧教授和龚明教授等人与纽约州立大学布法罗分校胡学东教授以及本源量子计算有限公司合作，对量子点系统中常见的多能级系统的量子调控展开研究，发现一种新的、实用的多能级调控方案。在该方案中，通过调控微波驱动频率、幅值等参数，可以实现任意能级结构，进而实现高速、抗噪声的量子比特操控。这种操控方案为实现高保真度量子比特操作提供了一种新途径。该研究成果发表在4月19日出版的国际应用物理知名期刊《Physical Review Applied》上。量子态的操控和演化在量子计算领域具有重要应用。所有的量子门操作，本质上都是这种操控的结果。这一原理被用广泛用于原子、超导比特、半导体量子点电荷和自旋比特等系统中，并在这些系统中实现了多种高保真度量子比特门。如果有效能级越简单，则操控越容易，精度越高。相反，当量子系统能级结构较为复杂时，对它们的调控就会非常复杂，而且可能出现各种串扰等。以半导体自旋量子比特系统为例，一个两比特系统的理论模型为五能级结构。使用微波驱动这样的五能级系统时，系统中不同的相干过程相互影响，使得整个