杜江峰

中国迷信技能年夜学中国迷信院宏观磁共振重点试验室正在量子信息处置惩罚范畴取患上重要进展，基于费舍尔信息提出一种阐发量子体系读出保真度的通用实践框架以及最优读出要领，并正在单个固态自旋体系中实现试验验证。这项研究结果以“Optimal repetitive readout of single solid-state spins determined by Fisher information”为题，于12月6日正在线颁发正在《迷信进展》（Science Advances）上。量子比特的投影丈量是量子信息处置惩罚，尤为是容错量子计较中的焦点技能。跟着量子技能的一直成长，投影丈量已正在超导电路、离子阱、量子点以及固态缺陷等多种物理体系中胜利完成。典型的投影丈量采纳阈值法，经由过程预设阈值区别两种状况。然而，这类阈值要领未能有用哄骗光子达到的时间信息，从而影响了读出保真度。最近几年来，很多研究测验考试经由过程思量时间信息来普及读出保真度以及速率，但年夜大都研究首要集中正在模子推导以及数值摹拟，缺乏充实的试验验证。此外，只管机械进修等要领也被使用于开掘光子达到时间中的隐含信息，但正在普及保真度方面的效果其实不显著，且缺乏谨严的实践诠释。

中国迷信技能年夜学中国迷信院宏观磁共振重点试验室杜江峰、王亚、夏慷蔚等人正在光学信息存储范畴取患上重要进展，提出并成长基于金刚石发光点缺陷的四维信息存储技能，具有面向现实使用所需高密度、超长免保护寿命、疾速读写等要害特征，无望为“数据年夜爆炸”信息时代所亟需的新一代绿色高容量信息存储供给解决方案。这项研究结果以“Terabit-scale high-fidelity diamond data storage”为题，于11月27日正在线颁发正在Nature Photonics上。信息时代已进入“年夜数据”阶段，海量数据的收罗、存储以及阐发技能一直前进，正成为鞭策科技成长的要害气力。对海量数据的使用将正在平易近生、医疗、军事等多个范畴发生深远且重年夜的影响。然而，以后数据存储技能（如磁盘、光盘、固态硬盘等）的成长远远滞后于数据量的增加，存储容量的瓶颈以及高能耗问题已成为制约海量数据处置惩罚与使用的要害应战之一。经由过程准确制备纳米资料光源并调控光旌旗灯号的强度、波长、偏振等多维度特征，光学存储技能最近几年来成为完成高密度存储的重要成长路径之一。然而，纳米资料的波动性差、信息读写速率较慢、误差年夜和高能耗等问题，使患上光学

中国迷信技能年夜学中国迷信院宏观磁共振重点试验室杜江峰、荣星等人正在量子热力学范畴取患上重要进展。研究组基于固态单自旋量子系统，对量子体系中的最年夜可提取功开展了体系试验研究，试验标明经由过程晋升量子体系的相关，可以有用晋升量子态中的最年夜可提取功。该结果以“Experimental investigation of coherent ergotropy in a single spin system”为题颁发正在《物理评论快报》上。美国物理学会Physics期刊为该事情刊发了由德国斯图加特年夜学Eric Lutz传授撰写的专文评述“Quantum Coherence Boosts Quantum Work”。正在热力学研究中，懂得一个体系可以或许被提掏出几多功，具备十分根蒂根基且重要的意思。为针对量子体系中研究这个问题，实践研究者们提出了量子体系正在轮回幺正演变下的最年夜可提取功这一物理量，并于近期指出量子相关关于最年夜可提取功的重要作用。然而，试验上尚缺乏对这两个重要物理量瓜葛的查验以及展示，首要缘故原由是怎样有用丈量最年夜可提取功很是具备应战性。本事情中，研究组为防止应用庞大的量子态层析技能，成长了哄骗帮助比

中国迷信技能年夜学中国迷信院宏观磁共振重点试验室杜江峰院士、彭新华传授研究组以及清华年夜学翟荟传授研究组、复旦年夜学张鹏飞研究员等人互助，经由过程试验以及实践的紧密亲密联合，正在非均衡量子多体能源学的研究中取患上重要进展，展现了随机彼此作用自旋模子中的非均衡能源学普适性举动。相干研究结果以“Emergent Universal Quench Dynamics in Randomly Interacting Spin Models”为题，于10月14日颁发于国际闻名学术期刊《天然物理》。非均衡量子多系统统是最近几年来遭到普遍存眷的一类新型量子体系，触及凝聚态物理、原子份子物理、量子信息、非均衡统计物理等诸多前沿范畴。但因为其新鲜性以及庞大性，这种体系中仍然存正在年夜量的未解之谜。跟着量子信息技能的疾速成长，虽然曾经正在试验中观测到了富厚的非均衡量子多体能源学征象，可是对蕴含正在这些庞大物理征象背地起主导作用的物理历程（即普适性）的展现依然存正在应战。普适性正在量子多体物理中表演侧重要的作用，此前针对普适性的研究年夜多集中正在均衡态相近的低能物理，而针对阔别均衡态的能源学历程中普适性的懂得还很是没有充实，首要的坚苦来自于非均衡

中国迷信技能年夜学中国迷信院宏观磁共振重点试验室杜江峰、荣星课题组与浙江年夜学焦曼研究员互助，哄骗固态自旋量子传感器对两种速率相干的别致自旋彼此作用正在小标准给出了当下最严酷的试验限制，该结果以“New Constraints on Exotic Spin-Spin-Velocity-Dependent Interactions with Solid-State Quantum Sensors”为题颁发正在4月30日的物理评论快报[Phys. Rev. Lett. 132, 180801 (2024)]。尺度模子是粒子物理中很是胜利的实践框架，形容了基本粒子以及四种基原形互作用。可是尺度模子仍无奈诠释以后宇宙天文学的一些重要观测事实，例如暗物资以及暗能量。是以实践学家提出，存正在超出尺度模子的新粒子，如轴子、类轴子以及Z’玻色子等。这些粒子多是咱们懂得宇宙更深档次的要害。实践指出新粒子可以作为流传子，通报尺度模子粒子之间的新彼此作用，譬如可以诱导出自旋与自旋之间速率相干的新彼此作用。今朝国际上对自旋与自旋之间速率相干的新彼此作用的试验研究比拟短缺，出格是正在力程绝对较小的规模内，试验查验险些没

中国迷信技能年夜学中国迷信院宏观磁共振重点试验室杜江峰、荣星等人正在单自旋系统中体系研究了对称性与高阶非厄米怪异点布局的瓜葛，并胜利观测到了一类高阶非厄米怪异点布局。该研究结果以“Third-order exceptional line in a nitrogen-vacancy spin system”为题，于1月15日正在线颁发正在《Nature Nanotechnology》上。非厄米物理出格存眷非厄米系统中存正在的一种特殊简并点——怪异点。其与厄米系统中的简并点没有同，二阶或许高阶怪异点有两个或许多个本征值以及本征态同时产生简并。因为怪异点相近奇特的能谱性子，浩繁非厄米系统独占的别致物理征象患上以涌现，是以正在量子计较、紧密丈量和拓扑物理等范畴有侧重要研究价值。由高阶怪异点构成的高阶怪异点布局，例如高阶怪异线以及怪异弧等，能揭示出更为富厚的拓扑性子。然而正在量子系统中高阶怪异点的观测已属不容易，完成高阶怪异点布局就更具应战性。研究组以金刚石中的一个氮-空位色心的单电子自旋以及核自旋复合系统为根蒂根基，基于其成长的非厄米哈密顿量完成要领[Science 364, 878 (2019)]，完成同时

中国迷信技能年夜学中国迷信院宏观磁共振重点试验室杜江峰、王亚等人正在量子紧密丈量范畴取患上重要进展，提出基于旌旗灯号联系关系的新量子传感范式，完成对金刚石内点缺陷的高精度成像，并及时观测了点缺陷的电荷能源学。这项研究结果以“Correlated sensing with a solid-state quantum multisensor system for atomic-scale structural analysis”为题，于1月5日正在线颁发正在《Nature Photonics》上。比来二十多年时间里，量子传感的成长曾经使患上许多物理量的丈量技能取患了反动性的进展。好比基于纳米标准的金刚石氮-空位色心量子传感器无望完成单份子的布局剖析（杜江峰院士团队后期事情：Nature Physics10, 21 (2014); Science 347, 1135 (2015); Nature Methods 15, 697 (2018)）。以磁丈量为例，以后完成布局剖析的量子传感范式需求对标志的自旋探测方针举行量子操控。然而天然界中的许多物理征象既没有包括自旋也无奈间接操控，如半导体中的电荷能源学招致

中国迷信技能年夜学中国迷信院宏观磁共振重点试验室杜江峰、荣星课题组与北京理工年夜学尹璋琦传授互助，正在量子热力学范畴取患上重要进展，研究团队基于金刚石氮-空位（Nitrogen-Vacancy，NV）色心系统对贾辛斯基等式举行了试验查验。该结果以“Experimental test of the Jarzynski equality in a single spin-1 system using high-fidelity single-shot readouts “为题颁发正在《物理评论快报》[Phys. Rev. Lett. 131, 220401 (2023)]。贾辛斯基等式是少有的以等式情势泛起且对非均衡历程同样成立的热力学定理。它将体系没有同状况之间自由能之差与为转变体系状况所做功的指数情势接洽起来，从而为自由能的丈量供给了捷径。冲破了以往自由能丈量只能寄托耗时较长的绝热或近绝热历程的限定，可以经由过程疾速的非均衡历程来丈量自由能。该等式于1997年被提出后，正在许多经典体系获得了查验。然而正在多能级量子体系中未获得严酷的试验查验。这首要是由于其查验需求正在能量基底对体系举行投影丈量，而多能

中国科学技术大学中国科学院微观磁共振重点实验室杜江峰、石发展、孔飞等人在量子精密测量领域取得重要进展，利用单个纳米金刚石内部的氮-空位色心（Nitrogen-Vacancy center, NV center）进行量子传感，克服颗粒随机转动问题，在原位条件下探测到了溶液中顺磁离子的磁共振谱。该项研究成果以“In situ electron paramagnetic resonance spectroscopy using single nanodiamond sensors”为题，发表在《Nature Communications》上。在生理原位条件下对分子进行探测解析，是生命科学领域的一个重要目标。只有在生理原位条件下对生物分子进行观察，才能获知其实现生理功能时的构象变化等信息，帮助解决细胞信号通路、药物靶点识别等重要问题。磁共振技术兼容生理环境，可以进行原位的无损探测，也可以通过自旋标记等手段，从细胞内杂乱的背景信号中选择性地探测目标分子的共振谱，是最有可能实现生理原位探测的方法。传统磁共振谱仪所进行的是系综分子探测，而NV 色心量子传感器可以在室温大气条件下对单分子进行磁

中国科学技术大学杜江峰院士团队利用金刚石中氮-空位色心作为固态自旋量子传感器，在微观尺度对于一系列新奇自旋相互作用展开实验搜寻并给出新的实验限定。相关研究成果分别发表在《国家科学评论》[National Science Review 10, nwac262 (2023)]、《物理评论快报》[Phys. Rev. Lett. 131, 071801 (2023)]和《美国国家科学院院刊》[Proc. Natl. Acad. Sci. 120, e2302145120 (2023)]。探索超越标准模型的新物理现象能够有助于解答一些不能用标准模型解释的基本问题，例如强CP疑难以及暗物质与暗能量的物理本质。近年来对一些新玻色子诱导的新奇自旋相互作用进行实验搜寻成为研究重点。2018年杜江峰团队在国际上原创提出将金刚石氮-空位(NV)色心的单电子自旋构筑为量子传感器，可用于搜寻电子与核之间的新奇自旋相互作用，并成功将实验搜寻的力程拓展到亚微米尺度[Nature Communications 9, 739 (2018)]。随后对一系列自旋相互作用在微观尺度实现了高精度的实验搜寻[Physi