研究进展

中国科大郭光灿院士团队任希锋教授等人与新加坡国立大学仇成伟教授、郭强兵博士等合作，在二维材料非线性量子光源研究中取得重大突破。1月4日，研究成果以《Ultrathin quantum light source with van der Waals NbOCl2 crystal》为题发表在Nature上。小型化、集成化是解决空间光学量子系统稳定性差、不可扩展等问题的理想方案，也是光学量子计算、量子通讯等走向大规模和实用化的必经之路。量子光源作为量子光学系统必不可缺的部分，其小型化一直是人们研究的重点。任希锋教授前期与南京大学等单位合作，将超构表面引入到量子信息领域，集成超构透镜阵列与非线性光学晶体，实现了100路径参量下转换，制备了超高维量子纠缠态和多光子源[Science 368, 1487 (2020)]。为了进一步提高量子光源的集成化程度，任希锋教授与新加坡国立大学等单位的合作者一起，首次利用新型二维材料NbOCl2的非线性过程实现了超薄的量子光源，厚度可低至46nm。图一：NbOCl2晶体的结构测试，单层厚度约0.65nm。二维材料的层内晶体结构稳定，而原子层间的

中国科学技术大学中科院微观磁共振重点实验室杜江峰、林毅恒等人与中科院量子信息重点实验室罗希望等合作，在拓扑相变量子模拟方面取得重要进展。通过发展高自旋离子阱体系的调控技术，实现了对三重简并拓扑单极子的量子模拟，观测到具有不同拓扑荷的单极子之间的相变，并展示了自旋张量在其中的重要作用。该研究结果于2022年12月14日以“Observation of Spin-Tensor Induced Topological Phase Transitions of Triply Degenerate Points with a Trapped Ion”为题，发表在《物理评论快报》上[Phys. Rev. Lett. 129, 250501 (2022)] 。拓扑物态是当前物理研究的前沿和主流领域之一，为新材料、新器件的设计带来了新的思路，乃至对我们深入理解宇宙基本粒子的性质都具有重要的意义。2016年，诺贝尔物理学奖便授予了在拓扑物理学方面做出开创性贡献的三位科学家。拓扑源自于数学，指在局部的连续变化下保持不变的整体性质。比如面包圈和茶杯拓扑等价，这是由于他们都有一个穿透的洞，而洞的个数是

中国科大郭光灿院士团队在磁光力混合系统研究方面取得新进展。该团队的董春华教授研究组将光力微腔与磁振子微腔直接接触，证明该混合系统支持磁子-声子-光子的相干耦合，进而实现了可调谐的微波-光波转换。该研究成果于2022年12月9日发表在国际学术期刊《Physics Review Letters》。不同的量子系统适合不同的量子操作，包括原子和固态系统，如稀土掺杂晶体、超导电路、钇铁石榴石（YIG）或金刚石中的自旋。通过将声子作为中间媒介，可以实现对不同量子系统的耦合调控，最终构建能发挥不同量子系统优势的混合量子网络。目前，光辐射压力、静电力、磁致伸缩效应、压电效应已被广发用于机械振子与光学光子、微波光子或磁子的耦合。这些相互作用机制促进了光机械领域和磁机械领域的快速发展。在前期工作中，研究组利用YIG微腔中的磁振子具有良好的可调谐特性，结合磁光效应实现了可调谐的单边带微波-光波转换(Photonics Research 10, 820 (2022))。但是由于目前磁光晶体微腔的模式体积大、品质因子难以进一步突破，从而限制了磁光相互作用强度，导致微波-光波转换效率较低。相比之下，腔光力

近日，中国科学技术大学曾长淦教授课题组与深圳大学李晓光研究员课题组实验与理论合作，在石墨烯耦合等离激元衰减调控方面取得重要进展。通过调节石墨烯的费米能级，设计并引入了一个额外的衰减通道，从而实现了耦合等离激元寿命的远程调控，并结合理论阐明了其衰减调控机制。相关结果于11月30日以“Electric Field-Controlled Damping Switches of Coupled Dirac Plasmons”为题发表在著名物理期刊《Physical Review Letters》上，并被刊物编辑部评选为Editors’ Suggestion。准粒子是凝聚态物理中最重要的基本概念之一。光与物质的相互作用可以形成等离激元、激子、声子极化子等准粒子，这些准粒子展现了丰富的物理特性以及广阔的应用前景，例如等离激元超材料、激子波色-爱因斯坦凝聚、纳米声子谐振器等。而寿命是这些准粒子的一个关键参量，合适的寿命是准粒子丰富物性能否被探测以及转换到实际应用中的前提。因此，大量的研究工作聚焦于探究准粒子的衰减机制以及寻找具有本征合适寿命的体系。而另一个重要的研究方向就是探索准粒子寿命主动

中国科学技术大学潘建伟、赵博等，利用相干合成方法在国际上首次制备了高相空间密度的超冷三原子分子系综。在该研究中，他们在基态双原子分子和原子Feshbach共振附近利用磁缔合技术从简并的钠钾分子-钾原子混合气中制备了超冷三原子分子系综，向基于超冷分子的超冷量子化学和量子模拟研究迈出了重要一步。北京时间12月2日，这一研究成果发表在国际权威学术期刊《科学》杂志上。利用高度可控的超冷分子来模拟复杂的难于计算的化学反应过程，可以对复杂系统进行精确的全方位的研究，因而在超冷化学和新型材料设计中具有广泛的应用前景。但由于分子内部的振转能级非常复杂，缺少激光冷却所需要的循环跃迁，导致通过直接冷却的方法来制备超冷分子非常困难。随着冷原子技术的发展，从超冷原子出发相干合成超冷分子为制备超冷分子系综提供了一条全新的途径。1998年，麻省理工学院Wolfgang Ketterle研究组观测到原子中的Feshbach共振[Nature 392, 151 (1998)]。2003年，科罗拉多大学的Deborah Jin研究组利用原子的Feshbach共振发展了磁缔合技术来制备钾双原子分子[Natur

中国科大郭光灿院士团队在固态量子存储领域取得重要进展。该团队李传锋、周宗权研究组基于掺铒波导实现了通讯波段光子的按需式量子存储，向构建大尺度光纤量子网络迈出重要一步。该成果于11月15日发表在国际知名学术期刊《物理评论快报》上。量子存储器是量子网络的核心器件，通过按需式读取纠缠光子，可以把远距离光纤传输中的指数级损耗下降为多项式级损耗。为利用现有的光纤网络构建量子网络，量子存储器应工作在通讯波段。稀土铒离子具有独特的通讯波段光跃迁，是实现通讯波段量子存储器的重要候选材料。然而，已有的通讯波段量子存储器的读出时间在光子写入前就已预先设定，无法实现按需式读取。李传锋、周宗权研究组在掺铒硅酸钇(167Er3+:Y2SiO5)晶体上利用激光直写技术自主加工了光波导，并在波导两端直接粘贴集成了普通的单模光纤。为了实现按需式读取，研究组进一步利用电子蒸镀技术在波导两侧加工了片上电极，从而利用电场诱导的斯塔克效应来实时调控波导内铒离子的相干演化。通过极化铒离子的电子自旋，并初始化其核自旋状态，光子的存储效率被提升至10.9%，这一效率相比此前报道的可集成通讯波段量子存储获得了5倍的增强。

中国科大郭光灿院士团队首次实验实现了设备无关的真多体纠缠检验。该团队李传锋、黄运锋、陈耕等人与瑞士学者合作，构造了一种新的真多体纠缠态检验方法，可以在不对测量设备做任何假设的前提下检验多体系统的真纠缠性质。这是国际上首个可以检验任意多体系统真纠缠性质的实验工作，该成果10月31日发表在国际知名学术期刊《物理评论快报》上。如果把多体系统任意分成两部分，这两部分之间都存在纠缠，则多体系统的这种性质就是真多体纠缠。真多体纠缠是量子纠缠的最强存在形式，是实现量子信息过程的重要资源。检验多体系统的真纠缠性质，通常需要预先知道系统的维度，并保证测量设备可精确实现各种测量。然而，真实物理系统有可能存在难以获知的自由度，并且实际测量设备的误差也会造成误判。要解决这些困难，原则上可以采用设备无关的测量，在不对系统做任何假设的前提下，只分析测量结果对Bell不等式的违背，就可以对系统的纠缠性质做出检验。但受限于构造多体Bell不等式的困难，对任意真多体纠缠系统进行设备无关的检验，仍然是一个亟待解决的难题。研究组通过解析多体系统的内部结构，分别划定最小的连通集合和完全的连通集合，进而把两体Bel

中国科大郭光灿院士团队在长时间空间多模量子态存储方向取得新进展：该团队的史保森、丁冬生课题组利用磁场操控技术结合钟态制备的方法实现了基于冷原子系综的光子高维轨道角动量态的长时间存储，相关成果10月31日以“Long-Lived Memory for Orbital Angular Momentum Quantum States”为题发表在学术期刊《Physical Review Letters》上。长距离量子通信的实现离不开量子中继，其中量子存储器是构建量子中继的核心。由于冷原子系综具有集体增强效应以及光谱一致性，可以有效地存储光子的量子态，因此作为极具潜力的量子存储器介质而备受青睐。学术界的众多工作表明，将多模存储器布局到量子网络中，能大幅度提高信道容量，因此多模量子存储器的实现对于构建高容量量子网络具有重要价值。尽管多模量子存储领域已取得重要进展，但基于冷原子系综的长时间空间多模存储还存在许多科学问题亟待解决，其中之一是难以保证所存多模量子态在长时间存储之后仍具有较高的保真度：这是由于复杂的空间模式更容易受到周围环境（例如磁场）的干扰造成的。图1 工作原理图。(a)实验

中国科学技术大学郭光灿院士团队实现了一种基于谐波辅助的光学相位放大测量技术。该团队史保森教授、周志远副教授等人提出了一种基于谐波辅助实现光学相位放大的基本原理，并且利用级联三波混频过程初步实现了干涉仪中相对相位的4倍放大。相关研究成果以“Harmonics-assisted optical phase amplifier”为题于2022年10月27日在线发表在著名期刊《光科学与应用》上[Light: Sci. Appl. 11, 312 (2022)]。干涉是一种基本的光学现象，在近代物理的发展过程中发挥着举足轻重轻重的作用。无论是“以太”的验证、量子力学的构建以及引力波的探测都离不开干涉原理和技术。相位是波动光学和量子光学中一个非常重要的参数，干涉仪中光程差变化与相对相位变化一一对应。在光学精密测量中，几乎所有物理量（如位置、角度、电磁场等）的测量都可以转化为对干涉仪中相对位相变化（或者光程差变化）的测量，因此如何精确测量干涉仪的相位变化是光学科学工作者孜孜以求的目标。一个朴素的想法是通过干涉仪中相对相位放大来提升相位测量分辨率。在量子光学中，通过在干涉仪中注入多光子NOO

中国科大郭光灿院士团队在纳米机电谐振器研究中取得重要进展。该团队郭国平、宋骧骧等人与苏州大学Joel Moser教授及本源量子计算有限公司合作，实现了基于石墨烯的可滑动纳米机电谐振器。相关研究成果近日以“Sliding nanomechanical resonators”为题，发表于《自然·通讯》(Nature Communications)上。一个振动物体的振动性质受到其固定方式的影响，这一规律不仅激励人们在宏观世界发明了各式各样独具特色的乐器，也指引人们在微观尺度上设计制备不同类型的力学谐振器。其中，纳米机电谐振器具有质量轻、频率高、品质好、可调谐等优点，在灵敏探测、信号传感、信息处理等领域展现出广阔的应用前景。尽管这些纳米机电谐振器具有不同的形状和振动模式，但它们通常是被稳定的固定在衬底上。随着研究的深入，能否在纳米尺度上实现其他的固定方式，从而对纳米机电谐振器的力学性能进行调控，逐渐成为研究者们关注的问题。作为二维材料的石墨烯，具有原子级平整的界面，其优异的力学和电学性能，使其成为研究纳米力学，制备纳米机电谐振器的理想材料。我校郭国平教授研究组在前期研究工作（Nat