郭光灿

中国科大郭光灿院士团队在量子密钥分发研究中取得重要进展。该团队韩正甫、王双、银振强、陈巍与合作者提出了一种无需主动调制的新型量子密钥分发实现方案并完成了实验验证，为实现高现实安全的量子密钥分发系统提供了新思路。该成果于2023年9月13日发表在国际学术期刊《Physical Review Letters》[Phys. Rev. Lett. 131, 110802 (2023)]。量子密钥分发理论上可以实现无条件安全的密钥共享。但器件特性、调制精度、环境干扰等因素有可能造成系统的现实安全性问题。例如，郭光灿团队发现，系统中广泛使用的铌酸锂主动调制器件，可能会受到光折变等侧信道攻击而泄漏信息[Optica, 10, 520-527(2023)][Phys. Rev. Applied, 19,054052(2023)]。为彻底解决主动调制带来的隐患，郭光灿团队与合作者另辟蹊径，设计了无需主动调制的量子密钥分发系统。该系统方案克服了此前无法同时实现“被动”光强调制和量子态编码的矛盾，并给出了考虑“有限长效应”的严格安全密钥率。团队通过全被动时间戳-相位编码解决信道环境干扰的难题，同

中国科大郭光灿院士团队在量子物理基本问题研究中取得重要进展。该团队李传锋、许金时等与南开大学陈景灵教授、西班牙塞维利亚大学Adán Cabello教授等合作，实验研究了单体高维量子系统中对应于多体非定域性的量子关联，从而观测到迄今为止单体量子系统中最强的量子互文性。该成果6月13日发表在国际知名期刊《物理评论快报》上。量子互文性是量子力学的一个奇特性质，也是实现通用量子计算的重要资源。它指的是一个物理量在量子测量下的结果依赖于测量进行的方式，而不仅仅是被测量的物理量本身。量子互文性使得量子力学与任何非互文性的隐变量理论都不相容，并且量子互文性与量子非定域性具有紧密的联系。量子非定域性就是量子互文性在多体系统中与非互文隐变量理论相矛盾的表现。贝尔不等式的违背值可以表征非定域性的大小，研究表明贝尔不等式的违背值可以随量子比特数指数增加。然而，尽管在单体高维量子系统中可以构造出比多体系统中更丰富的测量，如何在其中获得超越非定域性关联强度的互文性却一直是悬而未决的问题。为了构造并观测到单体系统中更强的量子互文性关联，研究组从量子关联的图论方法入手，将非定域性关联中所使用的测量之间的

中国科大郭光灿院士团队在半导体量子点-微波谐振腔杂化系统的动力学驱动研究中取得重要进展。该团队郭国平教授和曹刚教授等人与马德里材料科学研究所西格蒙德·科勒（Sigmund Kohler）高级研究员以及本源量子计算有限公司合作，从实验和理论上研究了非色散耦合的受驱量子点-微波谐振腔杂化系统，发展并验证了一种可适用于不同耦合强度和多量子比特系统的响应理论方法。研究成果以“Probing Two Driven Double Quantum Dots Strongly Coupled to a Cavity”为题，作为封面文章发表在6月9日出版的国际物理知名期刊《Physical Review Letters》上。微波光子与半导体量子比特的强耦合是当前的研究热点，它既是利用微波光子实现量子比特间长程相干耦合的前提，也是探索丰富的光与物质相互作用的钥匙。在之前的工作中（Science Bulletin 66, 332–338 (2021)），课题组借助高阻抗超导微波谐振腔，实现了量子点-微波谐振腔杂化系统的强耦合。在此基础上，课题组进一步研究了强耦合杂化系统在周期性驱动下的动力学现象。　

中国科大郭光灿院士团队在量子密钥分发（QKD）的实际安全性研究方面取得重要进展。该团队韩正甫、王双、银振强、陈巍等发现了QKD发送端调制器件的一种潜在安全性漏洞，并利用该漏洞完成的量子黑客攻击实验表明：当QKD的发送端未对该漏洞进行严格防护时，攻击者有可能利用其获取全部的密钥信息。相关研究的两项成果分别于4月20日和5月16日在线发表在国际学术知名期刊《Optica》[Optica, 10, 520-527(2023)]和《Physical Review Applied》[Physical Review Applied, 19,054052(2023)]上，并入选当期的编辑推荐工作。QKD理论上可以在用户之间生成信息论安全的密钥，然而实际设备的非理想特性可能会与理论假设不符，从而被窃听者利用。因此，对QKD系统的实际安全性进行全面而深入的分析，进而设计更完善、更安全的实际系统，是推进QKD实用化的重要环节。郭光灿、韩正甫研究组在QKD系统的实际安全性分析及攻防技术上取得了一系列研究成果，包括：发现探测设备的雪崩过渡区控制漏洞[Physical Review Applied, 1

中国科大郭光灿院士团队在集成化量子光源制备研究中取得重要进展。该团队任希锋研究组基于低温集成自发四波混频过程，展示了低温条件下集成量子纠缠光源的制备，相关成果于6月2日发表在光学知名学术期刊Optica上。光量子集成芯片，以其极高的相位稳定性和可重构性，逐渐发展成为展示新型量子应用、开发新型量子器件的理想平台。目前大多数光量子集成器件聚焦于室温条件下的功能，但许多量子元件（如超导纳米线单光子探测器）和半导体、超导量子计算系统，都需要在低温条件下运行。为了实现光量子系统的全片上集成和光互联不同量子计算系统构建量子网络，低温非线性过程研究不可或缺。研究组将集成微纳硅波导置于低温腔中，研究了4 K—294K温度下硅波导中的自发四波混频过程，并基于该过程实现了低温集成量子纠缠光源的制备。图1.低温集成量子光源实验系统该成果成功地将基于自发四波混频过程的量子光源扩展到低温条件，为光量子器件的全片上集成和低温条件下非线性光学的进一步应用奠定了基础。审稿人对该工作给出了高度评价：“This paper provides useful insight into the study of i

中国科大郭光灿院士团队胡晓敏、郭钰、柳必恒、李传锋等人受邀为《自然·综述物理》撰写量子隐形传态综述论文。5月24日，论文以 “量子隐形传态进展”（Progress in quantum teleportation）为题在线发表。近年来，李传锋、柳必恒研究组致力于高维量子隐形传态及量子网络的实验研究，制备出世界上保真度最高的32维量子纠缠[PRL125, 090503 (2020)]，实现了高维纠缠在11公里光纤中的有效传输[Optica 7, 738 (2020); PRL126, 010503 (2021)]，实现高效量子纠缠探测[PRL127, 020401 (2021); PRL127, 220501 (2021); PRL 129, 030502 (2022); PRL129, 060402 (2022)]、高维量子密集编码[Sci. Adv. 4, eaat9304 (2018)]和高维量子导引[PRL123, 170402 (2019); Optica 10, 66 (2023)]，并在此基础上实现了高维量子隐形传态[PRL 125, 230501 (2020)]等

中国科大郭光灿院士团队在二维材料固态自旋色心领域取得重要进展。该团队李传锋、唐建顺、王轶韬等人与匈牙利魏格纳物理研究中心的Adam Gali教授研究组合作，报道了六方氮化硼（hexagonal boron nitride，hBN）中一类超亮的具有优异光学性质和自旋性质的单自旋色心，并实现了对其在室温下的相干操控。该成果5月20日发表在国际知名期刊《自然•通讯》上。固态自旋色心是实现量子信息技术的重要体系之一，比较著名的是金刚石中的NV色心，目前已经在量子计算、量子传感、量子网络等方面取得重要进展。近年来，宽禁带材料hBN被证明是自旋色心的优秀宿主，由于其二维特性，在低维量子器件制备、近场传感探测等方面相对于三维体材料有特殊优势，hBN中的自旋色心已成为当前的一个研究热点。hBN中已发现的自旋色心包括带负电硼空位色心（negatively charged boron vacancy，VB-）和几类与碳相关色心。其中VB-色心是hBN中研究最广泛的自旋色心。李传锋、唐建顺研究组实现了基于VB-色心的温度传感[ACS Photonics 8, 1889 (2021)]，并揭示了其

中国科大郭光灿院士团队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、孙凯等人实验研究了量子导引在开放系统中的动力学演化，验证了非马尔科夫记忆效应在恢复量子导引过程中的作用。该研究成果于5月16日在线发表在国际知名学术期刊《物理评论快报》上。量子导引是介于量子纠缠和贝尔非局域性之间的一种量子非局域关联，描述了一方的局域测量影响另一方量子态的现象。其特有的方向性允许存在单向量子导引，即一方可以成功地导引另一方，反之却不行。目前大多数量子导引的研究都是在封闭量子体系下进行的，而实际情形中，量子系统和环境之间的相互作用是不可避免的，并且这种相互作用通常会使得系统的信息逐渐向环境耗散。然而，在非马尔可夫环境中，其记忆效应会使得已耗散的信息从环境回流到量子系统中，具体回流的能力由环境的非马尔可夫度进行刻画，更高的非马尔可夫度意味着更强的信息回流能力。近年来，李传锋、许金时、孙凯等人对量子导引开展了一系列的实验研究，包括全对无量子导引的验证[PRL 113, 140402 (2014)]、单向量子导引的实现[PRL 116, 160404 (2016); PRL 118, 14

中国科大郭光灿院士团队在单个碳化硅自旋色心荧光增强的研究中取得新进展。该团队李传锋、许金时等人成功利用表面等离激元大幅增强了单个碳化硅双空位PL6色心的荧光亮度，并利用共面波导的特性大幅提高了自旋操控效率。这项技术成本低、无需复杂的微纳加工工艺，且不影响色心的相干性质，对于发展基于碳化硅自旋色心的量子应用具有重要意义。研究成果5月8日以“Plasmonic-enhanced bright single spin defects in silicon carbide membranes”为题，在线发表在国际知名期刊《Nano Letters》。固态自旋色心是用于量子信息处理的重要体系，其荧光亮度是迈向实用化量子应用的重要参数。通过与固态微纳结构耦合来实现自旋色心的荧光增强是一种常用的方法。人们已经提出并实现了多种不同的方案，包括加工固体浸润透镜、纳米柱、牛眼环、光子晶体微腔和光纤腔等。然而，这一方向依然存在许多具有挑战性的问题需要解决，例如色心自旋性质容易受到复杂微纳加工过程的影响，以及色心与微纳结构之间难以对准等。李传锋、许金时研究组独辟蹊径，利用等离激元实现碳化硅中自旋色

近日，我校郭光灿院士团队与曼彻斯特大学、南洋理工大学合作，利用量子技术在复杂系统随机建模中的信息存储方面取得重要进展。该团队李传锋教授和项国勇教授与合作者使用单个量子比特的内存实现的量子模型可以获得比相同内存维度的任何经典模型更高的精度。该研究成功展示了量子技术在复杂系统非马尔科夫过程建模中的存储优势。该工作以“Implementing quantum dimensionality reduction for non-Markovian stochastic simulation”为题于5月6日在线发表于Nature Communications。图1 实验中进行量子模型模拟的经典时钟过程概念图；基于酉操作的量子模型线路图从化学反应到金融市场，从气象系统到星系形成，人们需要处理各种规模的复杂过程。随机建模能够帮助我们预测这些过程的未来行为。然而，由于这些随机过程通常是非马尔可夫的，其未来行为不仅取决于当前状态，也基于它的过去状态。为了模拟这样的过程，必须有一个存储器来存储系统的大量的观测信息。信息存储量将直接和预测未来行为的精度关联，因此，这在实践中将导致一个瓶颈，需要在减少内