研究进展

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

近日，中国科学技术大学潘建伟、陆朝阳、张强等与济南量子技术研究院等单位的科研人员合作，在国际上首次关闭定域性、测量独立性以及纠缠源独立性等漏洞，利用类空间隔的纠缠交换光量子网络对实数形式的量子力学进行了检验，以超过5.3个标准差的实验精度验证了实数无法完整地描述标准量子力学，严格确认了量子力学中复数的必要性。相关研究成果发表在国际著名学术期刊《物理评论快报》上。由于该工作广泛的兴趣，美国物理学会专门在APS News栏目撰文报道。量子物理是否确实需要复数的参与，一直是一个长期的基础性问题。2022年初，潘建伟团队利用可实验验证的、类似贝尔不等式的定量判据，率先完成了排除了实数形式描述标准量子力学的第一个实验检验[Phys. Rev. Lett. 128, 040403 (2022)]。该工作利用的是同一个超导量子芯片上的四个量子比特，距离上无法满足类空间隔的要求，因而存在定域、测量独立性、纠缠源独立性等问题。图1: 示意图为了更严格地检验复数的客观存在性，潘建伟团队在类空间隔纠缠交换光量子网络（图一）的基础上，利用网络中的两个独立源各自独立产生纠缠光子对，分发给远处的三个参

中国科学技术大学郭光灿院士团队在集成光子芯片量子器件的研究中取得重要进展。该团队邹长铃、李明研究组提出人工合成光学非线性过程的通用方法，在集成芯片微腔中实验观测到高效率的合成高阶非线性过程，并展示了其在跨波段量子纠缠光源中的应用潜力。相关成果以“Synthetic five-wave mixing in an integrated microcavity for visible-telecom entanglement generation”为题于10月20日在线发表于国际学术期刊《自然·通讯》上。自激光问世以来，非线性光学效应已经被广泛应用于光学成像、光学传感、频率转换和精密光谱等领域中。对于新兴的量子信息处理来说，它也是实现量子纠缠光源以及量子逻辑门操作的核心元素。然而受限于材料非线性极化率随阶数呈指数衰减这一本征属性，人们对光学非线性的应用主要局限于二阶和三阶过程，多个光子同时参与的高阶过程很少被研究。一方面，低阶过程限制了传统非线性与光量子器件的性能，比如量子光源的可扩展性；另一方面，人们也好奇高阶非线性过程所蕴含的新颖非线性与量子物理现象。利用集成光子芯片上的微纳

中国科大郭光灿院士团队与胡水明教授团队合作，在原子、分子精密测量研究领域取得新进展。他们揭示了原子分子精密光谱测量中的一种类Fano共振的新机制，发现在驻波场中对超窄线宽跃迁的激发会受到远失谐的强跃迁的影响，这对基于原子分子超窄跃迁的精密测量（如原子光钟、量子存贮等）将产生重要的影响。相关成果10月10日以“Fano-like resonance due to interference with distant transitions”为题在线发表于物理著名期刊《Physical Review Letters》上。基于原子或分子体系中的窄跃迁能级的精密测量一直是众多研究的主题，并且已经被广泛应用于多个领域，如传感、计量以及光钟等。窄跃迁也可以被用于测定基本物理常数，检验基础物理学定律、寻找“新物理”。在应用中，为了克服窄跃迁自身对光吸收很弱的缺点，研究人员通常需要采用很强的激光驻波场来探测这些弱跃迁、同时消除由于原子/分子运动导致的多普勒频移。因此，近几十年来，人们对强驻波场中的窄共振谱进行了广泛的研究。在传统的原子和分子光谱学中，通常采用两能级或少能级近似，忽略那些与目标