潘建伟

中国科学技术大学潘建伟、苑震生等与清华大学翟荟、兰州大学么志远等合作，使用自主开发的超冷原子量子模拟器，研究了格点规范场理论中的非平衡态热化过程与量子临界性之间的关系，揭示了具备规范对称性的多体系统处于量子相变临界区域时易于热化到平衡态的规律。这项研究成果近日以“编辑推荐”的形式发表在国际权威学术期刊《物理评论快报》上。图注：Maxwell方程组是一种满足U(1)规范不变性的规范理论，于是，一个重要的问题是：规范理论所描述的物理体系能否通过热化过程到达平衡态？这些问题的解决有助于回答宇宙早期演化等这类远离平衡态的复杂物理问题。规范理论和统计力学是物理学的两大重要基础理论。从经典电动力学的麦克斯韦方程组到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理论。统计力学，则是基于玻尔兹曼等提出的最大熵原理，将大量微观粒子（原子、分子等）组成的系综的微观状态与其宏观统计规律连接起来的学科，如微观粒子的能量分布是如何影响其压力、体积或者温度等宏观量的。那么，由规范理论描述的、远离平衡态的量子多体系统会热化到热力学平衡态吗？回答这一问题将推动人们对规范理论、统

中国科学技术大学中国科学院量子信息与量子科技创新研究院潘建伟、朱晓波、彭承志等组成的研究团队与北京大学袁骁合作，成功实现了51个超导量子比特簇态制备和验证，刷新了所有量子系统中真纠缠比特数目的世界纪录，并首次实现了基于测量的变分量子算法的演示。该工作将各个量子系统中真纠缠比特数目的纪录由原先的24个大幅突破至51个，充分展示了超导量子计算体系优异的可扩展性，对于多体量子纠缠研究、大规模量子算法实现以及基于测量的量子计算具有重要意义。相关研究成果于7月12日在线发表在国际学术期刊《自然》杂志上。量子纠缠是量子力学中最神秘也是最基础的性质之一，同时也是量子信息处理的核心资源，是量子计算加速效应的根本来源之一。多年以来，实现大规模的多量子比特纠缠一直是各国科学家奋力追求的目标。自1998年人们首次利用核磁共振系统实现3比特GHZ态的制备开始，真多体纠缠态的制备成为包括光子、离子阱、NV色心、中性原子及超导量子比特等各种物理系统规模化扩展的重要表征手段。其中，超导量子比特具有规模化拓展的优势，在近年来发展迅速。我国科学家在超导量子比特多体纠缠制备方面取得了一系列重要成果，自2017年起

中国科学技术大学潘建伟、陆朝阳、刘乃乐等组成的研究团队基于“九章”光量子计算原型机完成了对“稠密子图”和“Max-Haf”两类图论问题的求解，通过实验和理论研究了“九章”处理这两类图论问题为搜索算法带来的加速，及该加速对于问题规模和实验噪声的依赖关系。该研究成果系首次在具有量子计算优越性的光量子计算原型机上开展的面向具有应用价值问题的实验研究。相关论文近日以“编辑推荐”的形式发表在国际知名学术期刊《物理评论快报》上，并被Physics网站专题报道。图片1：“九章”量子计算原型机与图论问题对应关系原理示意图量子计算机的物理实现是当前科技前沿的重大挑战之一。国际学术界对量子计算的实验发展制定了三步走的路线图，其中第一步是实现“量子计算优越性”。“量子计算优越性”是指，通过高精度地操纵近百个物理比特，高效求解超级计算机无法在合理时间内解决的特定的高复杂度数学问题。这一步的意义在于首次从实验上确凿地证明量子计算加速，并挑战“扩展的丘奇—图灵论题”。2019年底，美国谷歌公司利用超导量子比特宣布实现“量子计算优越性”，但随之经典模拟算法取得快速发展，谷歌的这一宣称受到挑战。2020年

中国科学技术大学潘建伟、张强等与清华大学王向斌、济南量子技术研究院刘洋、中国科学院上海微系统所尤立星、张伟君等合作，通过发展低串扰相位参考信号控制、极低噪声单光子探测器等技术，实现了光纤中1002公里点对点远距离量子密钥分发，不仅创下了光纤无中继量子密钥分发距离的世界纪录，也提供了城际量子通信高速率主干链路的方案。相关研究成果于5月25日发表在国际学术期刊《物理评论快报》（Physical Review Letters）杂志。量子密钥分发（QKD）基于量子力学基本原理，可以在用户间进行安全的密钥分发，结合“一次一密”的加密方式，进而可实现最高安全性的保密通信。然而，量子密钥分发的距离一直受到通信光纤的固有损耗和探测器噪声等因素的限制。双场量子密钥分发（TF-QKD）协议利用单光子干涉的特性，将成码率与距离的关系从一般量子密钥分发的线性关系提升至平方根的水平，因此可以获得远超过一般量子密钥分发方案的成码距离。在这项工作中，研究团队采用了王向斌等提出的“发送-不发送”双场量子密钥分发协议，该协议在现实条件下可以有效地提升量子密钥分发系统工作距离。为了进行极远距离的量子密钥分发，

中国科学技术大学潘建伟、徐飞虎等与上海微系统所、济南量子技术研究院、哈尔滨工业大学等单位的科研人员合作，通过发展高保真度集成光子学量子态调控、高计数率超导单光子探测等关键技术，首次在国际上实现百兆比特率的实时量子密钥分发，实验结果将此前的成码率纪录提升一个数量级。该成果于3月14日在线发表于国际著名学术期刊《自然-光子学》（Nature Photonics）杂志。量子密钥分发（QKD）基于量子力学基本原理，可以实现原理上无条件安全的保密通信。提高QKD的成码率对其实用化起着至关重要的作用。高码率可为更多用户提供服务，实现大数据共享、分布式存储加密等高带宽需求的应用。此前国际上最高的实时成码率是10Mb/s（10公里标准光纤信道下）。为了实现更高的密钥率，需要解决系统发送端、接收端和后处理等技术瓶颈。在发送端，高码率QKD需要高保真度的量子态调制，然而现有QKD系统在高速调制下会产生较高误码率；在接收端，同时具有高效率和高计数率能力的单光子探测器不可或缺，超导纳米线单光子探测器（SNSPD）具有高效率和低噪声的优点，但其计数率通常受到较长恢复时间的限制。图1：高码率量子密钥分发装

近日，中国科学技术大学潘建伟、陈腾云等与清华大学马雄峰合作，首次在实验上实现了模式匹配量子密钥分发(Mode-pairing QKD)，相关研究成果于1月17日发表在《物理评论快报》（Physical Review Letters）上。图1. 模式匹配量子密钥分发协议示意图量子密钥分发(QKD)基于量子力学基本原理，可以实现理论上无条件安全的保密通信，因此在近几十年来一直是学术界的研究热点。模式匹配量子密钥分发协议(MP-QKD)是由清华大学马雄峰研究组于2022年提出的一种新型测量设备无关量子密钥分发协议，要求通信双方首先将信息编码在单个光学模式中，基于探测响应结果，通信双方按照一定规则进行配对，再根据配对情况进行基矢比对、参数估计等后处理操作来产生最终的安全密钥。相较于原始的测量设备无关协议(MDI-QKD)，MP-QKD可以将更多的探测事件用于成码，可以很大程度提高成码率；相较于双场量子密钥分发协议(TF-QKD)和相位匹配协议（PM-QKD），MP-QKD无需复杂的激光器锁频锁相技术，节省成本且降低了实际应用难度，同时对环境噪声有更好的抗干扰能力。潘建伟、陈腾云研究

中国科学技术大学潘建伟、赵博等，利用相干合成方法在国际上首次制备了高相空间密度的超冷三原子分子系综。在该研究中，他们在基态双原子分子和原子Feshbach共振附近利用磁缔合技术从简并的钠钾分子-钾原子混合气中制备了超冷三原子分子系综，向基于超冷分子的超冷量子化学和量子模拟研究迈出了重要一步。北京时间12月2日，这一研究成果发表在国际权威学术期刊《科学》杂志上。利用高度可控的超冷分子来模拟复杂的难于计算的化学反应过程，可以对复杂系统进行精确的全方位的研究，因而在超冷化学和新型材料设计中具有广泛的应用前景。但由于分子内部的振转能级非常复杂，缺少激光冷却所需要的循环跃迁，导致通过直接冷却的方法来制备超冷分子非常困难。随着冷原子技术的发展，从超冷原子出发相干合成超冷分子为制备超冷分子系综提供了一条全新的途径。1998年，麻省理工学院Wolfgang Ketterle研究组观测到原子中的Feshbach共振[Nature 392, 151 (1998)]。2003年，科罗拉多大学的Deborah Jin研究组利用原子的Feshbach共振发展了磁缔合技术来制备钾双原子分子[Natur

近日，中国科学技术大学潘建伟、陆朝阳、张强等与济南量子技术研究院等单位的科研人员合作，在国际上首次关闭定域性、测量独立性以及纠缠源独立性等漏洞，利用类空间隔的纠缠交换光量子网络对实数形式的量子力学进行了检验，以超过5.3个标准差的实验精度验证了实数无法完整地描述标准量子力学，严格确认了量子力学中复数的必要性。相关研究成果发表在国际著名学术期刊《物理评论快报》上。由于该工作广泛的兴趣，美国物理学会专门在APS News栏目撰文报道。量子物理是否确实需要复数的参与，一直是一个长期的基础性问题。2022年初，潘建伟团队利用可实验验证的、类似贝尔不等式的定量判据，率先完成了排除了实数形式描述标准量子力学的第一个实验检验[Phys. Rev. Lett. 128, 040403 (2022)]。该工作利用的是同一个超导量子芯片上的四个量子比特，距离上无法满足类空间隔的要求，因而存在定域、测量独立性、纠缠源独立性等问题。图1: 示意图为了更严格地检验复数的客观存在性，潘建伟团队在类空间隔纠缠交换光量子网络（图一）的基础上，利用网络中的两个独立源各自独立产生纠缠光子对，分发给远处的三个参

近日，中国科学技术大学潘建伟及其同事张强、姜海峰、彭承志等与上海技物所、新疆天文台、中科院国家授时中心、济南量子技术研究院和宁波大学等单位合作，通过发展大功率低噪声光梳、高灵敏度高精度线性采样、高稳定高效率光传输等技术，首次在国际上实现百公里级的自由空间高精度时间频率传递实验，时间传递稳定度达到飞秒量级，频率传递万秒稳定度优于4E-19。实验结果有效验证了星地链路高精度光频标比对的可行性，向建立广域光频标网络迈出重要一步。该成果于2022年10月5日在线发表于国际著名学术期刊《自然》杂志。近年来，基于超冷原子光晶格的光波段原子钟（光钟）的稳定度已进入E-19量级，将形成新一代的时间频率标准（光频标），结合广域、高精度的时间频率传递可以构建广域时频网络，将在精密导航定位、全球授时、广域量子通信、物理学基本原理检验等领域发挥重要作用。例如，当全球尺度时频传递的稳定度达到E-18量级时，就可形成新一代的“秒”定义，2026年国际计量大会将讨论这种“秒”的重新定义。进一步，高轨空间具有更低的引力场噪声环境，光频标和时频传递的稳定度理论上能够进入E-21量级，有望在引力波探测、暗物质搜寻

近日，中国科学技术大学潘建伟、包小辉等，将里德堡相互作用与高效单光子接口技术相结合，首次成功制备基于里德堡超原子的多光子纠缠，为单向量子中继等应用奠定基础。相关研究成果于8月11日发表在《自然·光子学》上。多光子纠缠在量子计算、量子通信以及量子精密测量中有重要应用。以往多光子纠缠的主要制备方式是采用非线性晶体内的参量下转换过程。然而参量过程中，光子是概率产生的，导致其向更多光子拓展时亮度下降较快。采用单量子体系的确定性优点，顺序生成多个关联单光子是制备多光子纠缠的另一重要途径。该方案非常节省实验资源，并且在原理上具有更高的可拓展性。以往实验已在量子点等体系实现该方案的原理性演示，然而在光子数的可拓展性上并未超越传统参量下转换实验。原子系综是量子存储的重要物理体系。通过引入里德堡相互作用，原子系综变为一个超原子，使得确定性的量子态操控成为可能。里德堡超原子同时具有单原子体系与原子系综体系的双重优点，在光子接口、纠缠制备等方面具有优势。图：实验方案示意图为实现基于里德堡超原子的多光子纠缠制备，潘建伟、包小辉研究组近年来发展了超原子与光腔的耦合技术[Optica 9, 853