研究进展

中国科大郭光灿院士团队在多频率微波传感上取得新进展。该团队史保森、丁冬生课题组利用人工智能的方法实现了基于里德堡原子多频率微波的精密探测，相关成果4月14日以“Deep learning enhanced Rydberg multifrequency microwave recognition”为题发表在国际知名学术期刊《Nature communications》上。近日国务院发布的《计量发展规划（2021-2035年）》提出在2035年建成以量子计量为核心，科技水平一流、符合时代发展需求和国际化发展潮流的国家现代化先进测量体系。由于里德堡原子具有较大的电偶极矩，可以对微弱的电场产生很强的响应，因此作为一个非常有前景的微波测量体系备受人们的青睐，取得了飞速发展。尽管如此，基于里德堡原子的微波测量领域还存在很多科学问题亟待解决，其中多频率微波接收就是其中一项难题：这是因为多频率微波在原子中会引起复杂的干涉模式，严重干扰了信号接收与识别。近年来，史保森、丁冬生领导的科研团队利用里德堡原子体系，聚焦量子模拟和量子精密测量科学研究，已取得了重要进展。在本工作中，团队基于室温铷原子

中国科大郭光灿院士团队与卢征天教授合作，在芯片化冷原子系统上取得新进展。该团队邹长铃课题组将独立设计的磁场芯片与光栅芯片结合，实现了基于双芯片的冷原子磁光阱系统。相关成果以“Planar-integrated magneto-optical trap”为题3月10日在线发表于国际学术期刊《Physical Review Applied》上。磁光阱作为对原子蒸气进行冷却和俘获的基本手段之一，在现代原子物理领域有广泛的应用。通过磁光阱获得的冷原子系综是实现长相干时间量子比特，以及基于此的量子精密测量、量子模拟、量子计算等应用的必要基础。然而传统磁光阱系统在进一步的可扩展应用上受到一些制约，例如多路自由空间光束对准、庞大的反亥姆霍兹线圈、以及磁场和光场中心的严格重合等挑战。因此，如何实现小型化乃至芯片化的磁光阱系统吸引了国际上研究人员的广泛兴趣。其中，基于光栅芯片的磁光阱极大地简化了传统磁光阱中六束空间光的入射系统，体积小，重量轻，光窗口丰富，可扩展性高，在移动式量子精密测量系统、集成化量子计算系统中有强大的潜力。然而对于磁光阱的另一重要组成部分——磁场线圈，大家仍然只能采用三维

中国科大郭光灿院士团队近期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、孙凯等人对多体量子导引的关系结构进行了实验研究，首次观测到多体量子导引的非单配性共享关系，即其中一方的量子态可以被另外两方同时导引。这项研究成果于3月24日发表在国际知名物理学期刊《物理评论快报》上。量子导引描述了一个粒子通过局域测量影响另一个粒子量子态的能力。作为一种量子非局域现象，量子导引拥有独特的非对称性质，能进一步实现单向量子导引，即一方可以导引另一方，反过来却不行。在多体量子导引的研究中，单配性关系会限制量子导引在个体之间的分享能力，使得一方不能同时被其他参与方导引。然而，理论研究表明，在增加测量方向的情况下，多体量子导引会出现违背单配性的现象，展示出多体之间丰富的导引共享关系结构。为了实验验证这种非单配性共享关系，我们需要能够对多体量子系统进行任意测量，这就要求我们制备具有高保真度的多体纠缠量子比特系统。基于光学平台，李传锋、许金时、孙凯等人近年来系统地开展了量子导引的实验研究，包括全对无（all-versus-nothing）量子导引的验证[PRL 113, 140402 (20

近日，中国科学技术大学中科院微观磁共振重点实验室杜江峰院士、樊逢佳教授等人与多伦多大学Oleksandr Voznyy教授合作，在胶体量子点发光材料领域取得重要进展。该研究团队在量子点合成过程中引入晶格应力，调控量子点的能级结构，获得了具有高度发光方向性的量子点材料，此材料应用在量子点发光二极管（QLED）中有望大幅提升器件的发光效率。这一研究成果发表在《Science Advances》杂志上[Science Advances 8, eabl8219 (2022)]。外量子效率（EQE）是QLED器件性能的一个重要评价指标，因此一直是国内外相关研究关注的重点。然而随着研究的推进，器件的内量子效率已经趋于极限（100%），这时若要进一步提升EQE须从外耦合效率角度入手，即提升器件的出光效率。在提升外耦合效率方面，外加光栅或散射结构的方式会增加额外的成本，并带来诸如角度色差等问题。基于此，不增加额外的结构而是使用具有方向性的发光材料，被认为是一种更为可行的解决方案。然而QLED中使用的量子点材料并不具有天然的发光偏振，针对这一点，研究团队经过理论计算和实验设计，在核-壳CdS

中国科学技术大学中科院微观磁共振重点实验室杜江峰、王亚等人在金刚石氮-空位色心体系构建的量子希拉德热机上实验展示了量子关联导致的量子优越性。这项研究成果以“Spin Quantum Heat Engine Quantified by Quantum Steering”为题发表在近期的《物理学评论快报》[Phys. Rev. Lett. 128, 090602 (2022)]上。该工作被PRL编辑选作编辑推荐文章，并在Physics杂志以“Steering Toward a Quantum Advantage”为题进行报道。热机在人类社会发展进程和生活中发挥着重要的作用。如何提高热机效率一直是热力学的核心科学问题。随着量子技术对单分子、单原子操控技术的发展，热力学与量子技术的交叉有望在微观尺度构建出最小的量子热机，并且利用量子特性提高热机效率。到目前为止大家通常关注量子热机中功介质量子系统本身的量子相干性，认为它是效率提升最为关键的量子资源，但是研究显示其作用仍存在争议，没有明确的结论。本工作采取新的思路，专注研究量子关联在量子热机中的作用，发现一类称为“量子导引”的特殊量子关联

近日，中国科大曾长淦教授研究组与吴涛教授研究组合作，在笼目晶格材料平带物性研究方面取得重要进展。研究团队在顺磁性笼目晶格材料CoSn中观测到了费米能级附近的平带电子结构并揭示了由平带电子导致的输运和磁性的反常各向异性。该研究成果以“Flat-Band-Induced Anomalous Anisotropic Charge Transport and Orbital Magnetism in Kagome Metal CoSn”为题于2月28日发表在《Physical Review Letters》杂志上。固体材料的电磁特性很大程度上取决于其电子能带结构。相对于常见的抛物线型色散关系的电子能带，处于两个极端的线性色散能带以及无色散平带是产生新物态及新效应的重要平台。如线性色散能带往往导致新奇的相对论效应和拓扑物性，而平带中电子动能淬灭，电子间库仑相互作用占据主导，是研究强关联效应的理想候选。笼目晶格是一类由顶点共享的三角格子组成的二维晶格结构，理论研究表明这样一个特殊晶格体系会同时存在电子有效质量为零的线性色散能带和有效质量无穷大的平带。曾长淦教授研究组在国际上较早开展了该体系

中国科大郭光灿院士团队在光量子芯片研究中取得重要进展。该团队任希锋研究组与浙江大学光电科学与工程学院/现代光学仪器国家重点实验室戴道锌团队合作，国际首次实现了片上波导模式编码的两比特量子逻辑门操作，相关成果于2月11日在国际知名学术期刊《物理评论快报》发表。经典和量子信息应用都需要大幅提高光子芯片的信息处理和通信能力，从而满足日益增长的光通信和互联的需求。为了实现大规模光量子系统，多光子、多自由度和高维编码是必然途径。多模波导模式具有独特性质，如高维扩展性、紧凑性以及与其它自由度的任意相干转换等，这使得波导模式编码在集成光子学领域中有着广泛的前景。因此，近年来波导模式编码备受关注。任希锋研究组与浙江大学戴道锌团队长期合作致力于硅基光量子器件及芯片研究并取得系列重要进展：（1）国际上首次将波导模式编码用于量子信息处理，实现了波导模式、偏振和路径编码纠缠态之间的相干转换（Nat Commun 7, 11985, 2016）；（2）首次实现波导模式编码纠缠光源制备（npj Quantum Inf 5, 2, 2019）；（3）基于密集波导超晶格阵列构建世界上最小尺寸的光学量子受控

中国科学技术大学潘建伟、赵博等与中国科学院化学所白春礼小组合作，在超冷原子双原子分子混合气中首次实现三原子分子的相干合成。在该研究中，他们在钾原子和钠钾基态分子的Feshbach共振附近利用射频场将原子和双原子分子相干地合成了超冷三原子分子，向基于超冷原子分子的量子模拟和超冷量子化学的研究迈出了重要一步。2月10日，这一重要研究成果发表在国际权威学术期刊《自然》杂志上。图：从超冷原子和双原子分子混合气中利用射频场合成三原子分子的示意图量子计算和量子模拟具有强大的并行计算和模拟能力，不仅能够解决经典计算机无法处理的计算难题，还能有效揭示复杂物理系统的规律，从而为新能源开发、新材料设计等提供指导。量子计算研究的终极目标是构建通用型量子计算机，但实现这一目标需要制备大规模的量子纠缠并进行容错计算，仍然需要长期不懈的努力。当前量子计算的短期目标是发展专用型量子计算机，即专用量子模拟机，它能够在某些特定的问题上解决现有经典计算机无法解决的问题。例如，超冷原子分子量子模拟，利用高度可控的超冷量子气体来模拟复杂的难于计算的物理系统，可以对复杂系统进行精确的全方位的研究，因而在化学反应和新型材

中国科学技术大学潘建伟、姚星灿、陈宇翱等与澳大利亚科学家胡辉合作，首次在处于强相互作用（幺正）极限下的费米超流体中观测到了熵波衰减的临界发散行为，揭示了该体系存在着一个可观的相变临界区，并获得了热导率与粘滞系数等重要的输运系数。该项工作为理解强相互作用费米体系的量子输运现象提供了重要的实验信息，是利用量子模拟解决重要物理问题的一个范例。2月4日，该成果以长文（research article）的形式发表在国际权威学术期刊Science上。80多年前，朗道建立了两流体理论，成功解释了氦-4液体（强相互作用玻色体系）的超流现象，并预言了熵或温度会以波的形式在超流中传播。熵波的性质与传统声波类似，它在传播过程中会逐渐衰减，因此朗道又将其命名为第二声（second sound）。第二声的传播和衰减与超流序参量直接耦合，是一种只存在于超流体中的独特量子输运现象。在费米超流中研究第二声的衰减行为，不仅能回答“两流体理论能否描述强相互作用费米超流的低能物理”这一长期存在的问题，还能表征强相互作用费米体系在超流相变处的临界输运现象。由强相互作用（幺正）极限下的超冷费米原子形成的超流体具有极

中国科学技术大学中科院微观磁共振重点实验室杜江峰、石发展等与生命科学与医学部魏海明教授等合作，在金刚石氮-空位色心量子精密测量技术的生物医学应用方面取得重要进展，首次建立了肿瘤组织免疫磁显微成像技术，实现了组织水平微米分辨率的磁成像，其具有高稳定性、低背景和肿瘤标志物绝对定量的优势，同时实现了磁和光的多模态成像。相关研究成果于2022年1月26日以“Immunomagnetic microscopy of tumor tissues using quantum sensors in diamond”为题发表在《美国国家科学院院刊》上[Proc Natl Acad Sci U S A 119(5),e2118876119(2022)]。癌症是目前导致人类死亡最多的疾病之一，对癌症分子机理的研究和临床早期精确诊断是有效治疗的基础。而对肿瘤在组织水平的成像是癌症研究和临床诊断的关键一环，尤其是在癌症的诊断中，虽然有各种医学影像方法，但病理组织检测仍然是癌症确诊的“金标准”。因此，对组织病理学方法的发展具有重要生物学和临床意义。现行主流的病理组织成像方法包括HE染色、免疫组化和免疫荧光