研究进展

中国科学技术大学潘建伟、苑震生等与德国海德堡大学、奥地利因斯布鲁克大学、意大利特伦托大学的相关研究人员合作在超冷原子量子模拟研究中取得重要进展：他们使用超冷原子量子模拟器，对格点规范场理论中非平衡态过渡到平衡态的热化动力学进行了模拟，首次在实验上证实了规范对称性约束下量子多体热化导致的初态信息“丢失”，取得了利用量子模拟方法求解复杂物理问题的重要进展。北京时间07月15日，国际著名学术期刊《科学》杂志发表了该研究成果。规范场理论是现代物理学的基础，如描述基本粒子相互作用的量子电动力学、标准模型等都是满足特定群对称性的规范场理论。随着半个多世纪的发展，它在粒子物理学、宇宙学以及凝聚态物理学等领域获得了广泛应用。由于其求解复杂度高，规范场理论体系中仍然有很多开放问题。其中，规范场理论描述的物理系统是否可以从远离平衡态经过演化达到热平衡就是一个备受关注并极具挑战的问题。这一问题的解决，有助于人们理解高能物理中重核碰撞的问题，也将为现代宇宙学中大爆炸早期物质的形成提供物理解释。但是，使用经典计算机求解复杂的规范场理论是一个公认的难题，量子模拟器为解决这一问题提供了新的路径。近年来，

中国科大郭光灿院士团队在非局域量子网络研究中取得重要进展，该团队李传锋、柳必恒研究组与奥地利Armin Tavakoli博士等人合作，使用超纠缠实现基于对称联合测量（symmetric joint measurements）的纠缠交换，并研究双局域贝尔不等式（Bilocal Bell inequality）和全量子网络非局域性（Full network nonlocality）。该成果7月13日发表在国际知名期刊《物理评论快报》上。贝尔非局域是量子力学和量子信息科学的重要基础。近十多年来，对非局部性的研究不再局限于两体问题，而是转向更复杂的结构。这类实验涉及多个独立的纠缠源，实验中将这些纠缠源进行多方分发和纠缠测量并最终形成非局域量子网络。由于量子网络所展示的非局域性突破了传统贝尔实验的框架，因此在物理理论和实验上都存在巨大的挑战。目前实验上连接独立纠缠源的纠缠测量主要是利用标准的贝尔态测量，对于更一般的纠缠测量及其所建立的非局域量子网络的性质研究还很缺乏。对称联合测量是一类重要的纠缠测量，与贝尔态测量有着本质的不同。它具有优雅而自然的对称性，可以作为一种量子信息资源进行利

近期，中国科学技术大学潘建伟及其同事彭承志、陆朝阳、曹原应邀在国际物理学权威综述期刊《现代物理评论》（Review of Modern Physics）上发表题为“基于‘墨子号’卫星的空间量子实验”（Micius quantum experiments in space）的长篇综述论文。该论文从量子信息理论的基本概念、早期量子通信和量子信息相关原理性实验、面向卫星的地面大空间尺度验证实验，以及“墨子号”卫星从立项、研制、在轨运行到最终在国际上率先完成一系列星地量子科学实验，进行了系统性的阐述和总结。同时，该综述论文还对国际空间量子科学的研究进展进行了梳理。“墨子号”的成功激励了国际空间量子科学的研究热潮，美国、欧盟、日本等国际上的各方力量随后皆开始探索自己的广域量子通信之路，提出或加速了一系列空间量子科学布局。论文的最后，对于进一步构建覆盖全球的量子通信网络和基于空间平台的量子物理基础研究进行了前瞻性的展望，表明“墨子号”系列实验开启了利用空间平台开展量子信息和量子物理前沿研究的广阔天地。图1 《现代物理评论》论文网页量子通信基于量子物理学的基本原理，克服了经典加密技术内在的安

中国科学技术大学中国科学院微观磁共振重点实验室彭新华研究组在自旋量子精密测量领域取得重要进展，首次提出和验证了Floquet自旋量子放大技术，该技术克服了以往只在单个频率处量子放大的局限性，实现了多频段极弱磁场信号的量子放大，灵敏度达到了飞特斯拉水平。相关研究成果于6月9日以“Floquet Spin Amplification”为题在线发表于著名国际学术期刊《Physical Review Letters》上[Phys. Rev. Lett. 128, 233201 (2022)]，并被选为“编辑推荐（Editors’Suggestion）”文章。现代自然科学和物质文明是伴随着测量精度的不断提升而发展的。随着量子力学基础研究和科学技术的发展，通过原子、分子、自旋等物理系统可以实现微弱信号的量子增强放大。相比于基于经典电路的传统放大技术，量子增强放大受限于更低的量子噪声且具有更高的放大增益，为提升测量精度提供了强有力的研究手段，因此受到大家的广泛关注和研究。目前，量子放大技术已经在诸多测量过程发挥不可替代的作用，催生出许多革命性成果，例如微波激射器、激光器、原子钟，甚至宇宙微波

分子间的能量转移过程是生命活动与光电转换中的基本过程，是分子光谱学与光化学等领域的研究重点。其中，一个重要的科学问题是如何理解光合作用中的高效能量转移机制，以及其中是否存在高效的波状量子相干传能过程。早在20世纪30年代，理论分析就指出，当供体−受体分子间距离非常小时，分子间的偶极耦合强度就可以大于各自耗散，使得激发能量可以离域在整个供受体分子系统上，这样一来，能量就能以波状量子相干传能的方式在供体和受体分子之间振荡。然而，在实验上，关于量子相干传能过程存在的直接证据一直缺乏。其原因在于：一方面，常用的捕光天线蛋白等生物分子的结构复杂，难以精确地控制分子局域结构与微观环境；另一方面，常规远场稳态和超快光谱技术受到衍射极限的制约，难以对单个分子进行个体化研究，所测量结果受到系综平均效应的影响，反映的是多种过程与机制的平均结果，难以给出微观机理等的直观认识。中国科大单分子科学团队利用自主发展的具有亚纳米空间分辨的电致荧光成像技术，以铂酞菁（能量供体）和锌酞菁分子（能量受体）为模型体系，通过STM操纵可控地改变供体−受体分子的间距与取向等结构特征，同时监控受体分子发光强度随着分子间距

中国科大郭光灿院士团队在量子物理基础研究中取得重要进展。该团队李传锋、许金时、孙凯等人与意大利巴勒莫大学Rosario Lo Franco教授等国际合作者通过调控光子的空间不可分辨性，实现了量子相干性的生成，并展示了其在量子计量任务中的实际应用。该成果于5月20日发表在国际知名杂志《美国国家科学院院刊》上。量子相干性是量子力学中最基础的本质特性，它使得量子系统中会出现“薛定谔猫”等在经典视角下难以理解的现象。对于单粒子量子系统，量子相干性体现在系统处于计算基矢的叠加状态；而对于多粒子量子系统，如果这些粒子是全同粒子，则即使没有任何一个粒子处于相干叠加状态，整个量子系统也可以存在相干性。这种相干性是由于全同粒子之间波函数的空间不可分辨性所导致的。然而，针对基于粒子不可分辨性的量子相干资源，其实验研究面临两个问题：一是需要调控全同粒子之间的不可分辨性来生成具有不同相干度的量子资源，二是需要展示这种相干性在具体量子信息任务中的实际应用，从而证明它是物理上可用的量子资源，而不仅仅是描述全同粒子的特定数学形式的结果。图1. 全同粒子系统的量子相干性及其在相位通道鉴别任务中的应用实验原理示

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、周宗权研究组基于自主加工的激光直写波导，实现了光子偏振态的可集成固态量子存储，存储保真度高达99.4±0.6%，该工作显著推进了可集成量子存储器在量子网络中的应用。相关成果近日发表在国际知名学术期刊《Science Bulletin》和《Physical Review Letters》上。光子的偏振态具有操作精度高和抗干扰能力强的特点，在量子信息任务中具有广泛的应用。实现偏振态的可集成量子存储是构建大尺度可集成量子网络的基本需求。稀土掺杂晶体作为一种性能优异的固态量子存储介质，能够结合多种微纳工艺制备出可集成的量子存储器。然而，已有的可集成固态量子存储器均无法实现偏振态的量子存储，这是由于稀土掺杂晶体的光吸收一般是依赖于偏振态的，并且其微纳波导结构也不支持任意偏振态的传输。Eu3+:YSO（掺铕硅酸钇晶体）是实现可移动量子优盘的重要候选材料，李传锋、周宗权研究组基于该材料已实现长达1小时的相干光存储[Nature Communications 12, 2381 (2021)]。在近期工作中研究组注意到掺铕硅

近日，中国科学技术大学潘建伟及其同事彭承志、陈宇翱、印娟等利用“墨子号”量子科学实验卫星在远距离的量子态传输方面取得重要实验进展。该实验首次实现了地球上相距1200公里两个地面站之间的量子态远程传输，向构建全球化量子信息处理和量子通信网络迈出重要一步。相关研究成果于4月26日在线发表在国际知名学术期刊《物理评论快报》上[Physical Review Letters 128, 170501 (2022)]。远距离量子态传输（Quantum state transfer, QST）通常可以利用量子隐形传态来实现，是构建量子通信网络的重要实现途径之一，也是实现多种量子信息处理任务的必要元素。通过远距离量子纠缠分发的辅助，量子态可通过测量然后再重构的方式完成远距离的传输，传输距离在理论上可以是无穷远。但在实现中，量子纠缠分发的距离和品质会受到信道损耗、消相干等因素的影响，如何不断突破传输距离的限制，一直是该领域的重要研究目标之一。利用星载纠缠源向遥远的两地先进行纠缠分发，再进行量子态的制备与重构，是实现远距离量子态传输的最可能路径之一。然而，由于大气湍流的影响，光子在大气信道中传

近日，中国科学技术大学潘建伟、张强等与济南量子技术研究院王向斌、刘洋等合作，实现了一套融合量子密钥分发和光纤振动传感的实验系统，在完成光纤双场量子密钥分发（TF-QKD）的同时，实现了658公里远距离光纤传感，定位精度达到1公里，大幅突破了传统光纤振动传感技术距离难以超过100公里的限制。相关研究成果以“编辑推荐”的形式发表在《物理评论快报》（Physical Review Letters）上，并被美国物理学会（APS）下属网站“Physics”报道。光纤振动传感以光纤作为传感器进行振动感知，通过利用单根光纤同时实现振动监测和信号传输，由于具有灵敏度高、响应快、结构简单、分布均匀等优点，在结构健康监测、油气管道泄漏监测、周界防护和地震监测等工程领域具有广泛的应用前景，因此引起了人们的广泛关注和研究。当前，光纤振动传感多使用分布式声波传感技术，其传感距离被限制在100公里以内，面临的一个重要技术挑战是如何克服距离限制，实现远距离的光纤振动传感。量子密钥分发（QKD）则基于量子力学基本原理，结合“一次一密”的加密方式，可以实现无条件安全的保密通信。因为其重要的现实意义，QKD一

中国科大郭光灿院士团队在硅基半导体量子芯片研究中取得重要进展。该团队郭国平教授、李海欧教授等人与中科院物理所张建军研究员、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，在硅基锗空穴量子点中实现了自旋轨道耦合强度的高效调控，为该体系实现自旋轨道开关以及提升自旋量子比特的品质提供了重要的指导意义。研究成果以“Gate-Tunable Spin-Orbit Coupling in a Germanium Hole Double Quantum Dot”为题，于4月27日在线发表在国际应用物理知名期刊《Physical Review Applied》上。硅基自旋量子比特因为其较长的量子退相干时间以及高操控保真度而受到广泛关注，是未来实现量子计算机的有力竞争者。除此之外它与现代半导体工艺相兼容的特点使其大规模扩展成为可能。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足够快的操控速率。传统的比特操控方式——电子自旋共振由于受到加热效应的限制，其翻转速率较慢。当体系中存在较强的自旋轨道耦合时，理论和实验研究都表明可以利用电偶极自旋共振实现自旋比特的翻转，其翻转速率