杜江峰

中国科学技术大学杜江峰、石发展等人在量子操控领域取得重要进展，基于金刚石氮-空位（Nitrogen-Vacancy，NV）色心量子比特实现了保真度99.92%的量子CNOT门（量子受控非门）。该项研究成果以99.92%-Fidelity CNOT Gates in Solids by Noise Filtering为题发表在《Physical Review Letters》[Phys. Rev. Lett.130, 030601（2023）]上。图：金刚石石氮-空位色心及其周围的核自旋示意图，形状脉冲用来抵抗核自旋产生的噪声。高保真两比特量子门在量子信息处理，特别是容错量子计算中起着至关重要的作用。然而，量子比特会不可避免地与环境发生相互作用，这极大地降低了逻辑门的保真度，对于固态量子系统更是如此。经过几十年的努力，超导、离子阱、固态缺陷和量子点等量子系统，已经实现了保真度超过容错阈值（约99%）的两比特门。然而，可实用的大规模量子计算要求门保真度至少达到99.9%，此前仅离子阱体系实现了保真度约为99.9%的两比特门。固态体系由于受到更为嘈杂的固态环境的干扰，实现超过99.9

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、王亚等人在金刚石量子器件制备方向取得重要进展，发展了一种全新的基于自对准的光子学器件制备加工技术，可将氮-空位色心这一原子级量子传感器以纳米级精度加工到金刚石器件最佳工作位置，实现接近最优光学探测性能的量子传感器阵列。这项研究成果以“Self-aligned patterning technique for fabricating high-performance diamond sensor arrays with nanoscale precision”为题发表在《科学进展》[Sci. Adv.8, eabn9573 (2022)]上。金刚石，俗称“钻石”，具有高硬度、高稳定性、高透光性、高热导率以及超高的禁带宽度等优异的物理化学性质，在超精密加工、光学材料以及半导体电子器件等工业领域有着广泛的应用。近十多年来，科学家发现金刚石中一种可以发光的原子尺度晶格缺陷–氮-空位色心（简称NV色心）具有极大的量子应用前景，让存在缺陷的不“完美”金刚石变得在实用性上更加“完美”。NV色心不仅可以以纳米空间分辨率对电磁场、压力等多种物理

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团队与南京大学组成的联合研究组在暗能量探测领域取得重大进展，利用抗磁悬浮力学系统在实验室环境中对一种重要的暗能量理论——变色龙理论进行了实验检验，未发现该理论预言的“第五种力”，从而排除了其作为暗能量的可能。这是所有暗能量理论中的首个确定性的实验检验。相关研究成果以“Experiments with levitated force sensor challenge theories of dark energy”为题，于8月25日线上发表于国际学术期刊《Nature Physics》。Science杂志发布的125个最具挑战性的科学问题中，“宇宙由什么构成”排在第一个。宇宙学和天文学的一些观测事实表明，我们的宇宙正处于加速膨胀中，而暗能量被认为是驱动膨胀的原因。但是，对于暗能量的本质是什么，以何种方式与我们的世界发生作用，目前仍然未知。为探索神秘的暗能量场，国际上布局了多种实验研究计划，传统的手段主要是借助天文观测或大型物理装置，如太空望远镜、地下实验室以及大型高能粒子加速器等。中科院微观磁共振重点实验室于近年来创新发展了基于固态自旋

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、孔飞等人在微波磁场测量领域取得重要进展，基于金刚石氮-空位（Nitrogen-Vacancy, NV）色心量子传感器实现了皮特斯拉水平的高灵敏微波磁场测量。该项研究成果以“Picotesla magnetometry of microwave fields with diamond sensors”为题发表在《Science Advances》[Sci. Adv. 8, eabq8158 (2022)]上。微波在人类生活和科学研究中无处不在。日常生活中，移动通信所使用的电磁波便属于微波范畴，发展微波测量技术对无线通讯的发展有重要价值；科学研究中，实现对高频微波的高灵敏测量能够为高场高频磁共振谱学、太赫兹成像、甚至天文学观测提供基础支撑。利用从原理上革新的量子传感技术能够大大提升微波的测量灵敏度，在过去的十几年中得到了广泛的研究和发展。目前，常见的量子传感器包括里德堡原子、原子磁力计、超导量子干涉仪、金刚石NV色心等。其中NV色心体系因独特的载体稳定性和室温大气环境兼容性，成为极具发展前景的固态量子传感器，提升探测灵敏度是

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

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

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、王亚、李兆凯等人在量子机器学习研究中取得重要进展，研发出新型量子特征提取算法，实验实现了对未知量子系统矩阵的分析与信息提取。该成果以“Resonant Quantum Principal Component Analysis”为题发表在近期的Science Advances上[Science Advances 7, eabg2589 (2021)]。机器学习是指使用计算机从大量历史数据中挖掘隐含规律，并用于后续预测

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、石发展等人基于金刚石固态单自旋体系在室温大气环境下实现了突破标准量子极限的磁测量，该成果以“Beating the Standard Quantum Limit under Ambient Conditions with Solid-State Spins”为题发表在近期Science Advances上[Science Advances 7, eabg9204 (2021)]。测量是人类认知自然的重要手段，其本质