研究进展

中国科大郭光灿院士团队在量子网络非局域性研究方面取得重要进展。该团队李传锋、黄运锋、张超等人与西班牙、瑞士等国的理论物理学家合作，首次实验验证了星形量子网络中的全网络非局域性。该成果4月14日发表在国际知名期刊《自然·通讯》上。贝尔非局域性一直是量子信息领域的研究热点。近年来，人们开始探索更复杂的包含多个独立源的量子网络中的非局域性。由于包含多个独立隐变量，量子网络中可以产生区别于传统贝尔非局域性的全新量子关联。其中Bilocal模型是最简单也是目前研究最多的量子网络，即两个独立纠缠源分配纠缠对到三个观测者，与纠缠交换的场景类似，中间节点接收到两个粒子并做贝尔基测量从而使整个网络产生非局域关联。然而，此前定义的网络非局域性无法刻画整个网络中所有源的非经典性，多数情况下可以退化为标准贝尔不等式的违背，且中间节点不需要采用纠缠测量。因此，物理学家们提出全网络非局域性（Full network nonlocality）的概念，它要求网络中所有源都分发非经典资源，能够用来认证网络中全连接的非经典性质。目前，全网络非局域性只在最简单的bilocal模型中进行了检验。在本工作中，研究组

近日，中国科大向斌教授团队和中山大学王志副教授团队合作，通过构建范德瓦尔斯铁磁金属Fe3GeTe2(F)桥接两个单重态超导体NbSe2(S)，在该平面约瑟夫森结(S/F/S)器件中首次观察到长程超导电流，并且发现该长程超导电流呈现奇异的趋肤效应。该成果以“Long-range skin Josephson supercurrent across a van der Waals ferromagnet”为题于2023年3月30日以Article形式在线发表在《Nature Communications》上。铁磁性和超导性是两个相互抑制的宏观有序物性，以至于当单重态超导电流进入铁磁体会引发库伯对迅速退相干。但是近年来，人们在理论和实验上发现在超导体/铁磁体界面近邻诱导出的自旋三重态超导电流能够在铁磁体中无耗散输运很长距离，因此在新型无耗散量子器件的构建上更可取。早期实验工作集中在构建耦合体为体相铁磁体的超导约瑟夫森结，实现对自旋三重态电流的观察以及自旋和电荷自由度的控制，但是基于二维范德瓦尔斯材料的异质结观察自旋三重态超导电流以及相关的界面性质研究却鲜有报道。针对以上问题，研究

中国科大郭光灿院士团队在碳化硅色心高压量子精密测量研究中取得重要进展。该团队李传锋、许金时、王俊峰等人与中科院合肥物质科学研究院固体所高压团队刘晓迪研究员等合作，在国际上首次实现了基于碳化硅中硅空位色心的高压原位磁探测，该技术在高压量子精密测量领域具有重要意义。3月23日研究成果以“Magnetic detection under high pressures using designed silicon vacancy centres in silicon carbide” 为题在线发表在国际知名期刊《自然·材料》上。高压技术已经广泛应用于物理学、材料科学、地球物理和化学等领域。特别是压力下高临界温度超导体的实现，引起了学术界的极大关注。然而一直以来，原位高分辨率的磁测量是高压科学研究的难题，并制约着高压超导抗磁行为和磁性相变行为的研究。传统的高压磁测量手段，如超导量子干涉仪难以实现金刚石对顶砧中微米级样品的弱磁信号的高分辨率原位探测。为了解决这一关键核心难题，金刚石NV色心的光探测磁共振技术已被用于原位压力诱导磁性相变检测。然而，由于NV色心具有四个轴向，并且其电子自旋的零

近日，中国科大曾长淦教授、李林副研究员研究团队与北京大学物理学院量子材料科学中心冯济教授课题组合作，在二维电双层结构层间拖拽效应研究中取得新进展。通过构筑氮化硼绝缘层间隔的多种石墨烯基电双层结构，首次揭示了在层间拖拽这一复杂的多粒子输运过程中存在显著的量子干涉效应。相关研究成果以“Signature of quantum interference effect in inter-layer Coulomb drag in graphene-based electronic double-layer systems”为题于3月16日在线发表在《Nature Communications》上（DOI:10.1038/s41467-023-37197-2）。量子干涉效应是量子力学中波粒二象性的直接体现。在固体材料中，弱局域化、普适电导涨落和Aharonov-Bohm效应等独特量子输运现象，都源于载流子扩散路径之间的量子干涉。然而这些干涉行为均发生在单一导体内的载流子输运过程，可以在非相互作用的单粒子框架下很好地解释。与之相比，诸如层间拖拽效应这种路径更为复杂的多粒子耦合输运中是否会展

中国科大郭光灿院士团队在实用化量子传感研究中取得重要进展。孙方稳教授研究组利用微纳量子传感与电磁场在深亚波长的局域增强，研究微波信号的探测与无线电测距，实现10-4波长精度的定位。该成果于3月9日发表在国际知名期刊《自然·通讯》上。基于微波信号测量的雷达定位技术在自动驾驶、智能生产、健康检测、地质勘探等活动中得到广泛应用。尤其在当前智能化、信息化发展大趋势下，发展高性能雷达测距技术对国防安全和经济发展都方面有重要意义。量子信息技术的发展为发展雷达技术提供了新的解决方案。量子传感和精密测量利用量子相干、关联等特性提升系统对物理量的测量灵敏度，有望超越传统测量手段的精度。孙方稳研究组面向量子信息技术实用化，长期研究固态自旋体系的量子传感技术。发展了电荷态耗尽纳米成像方法，实现基于金刚石氮-空位色心的超衍射极限分辨力电磁场矢量传感与成像（Phys. Rev. Applied 12, 044039(2019)），并利用超分辨量子传感探索了电磁场在10-6波长空间内局域增强的现象（Nat. Commun. 12, 6389(2021)）。在本研究中，研究组结合微纳米分辨力的固态体

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

中国科学技术大学卢征天教授、夏添博士与同事合作，利用原子阱痕量分析方法实现了对极稀有同位素钙-41的单原子灵敏检测，将该同位素丰度的检测极限压低至10-17（十亿亿分之一）量级，并演示了对骨头、岩石、海水等典型样品的钙-41同位素分析。此项工作解决了地质、生物样品中钙-41同位素的探测难题，使得钙-41有望作为示踪定年同位素被应用于地球科学和考古学等领域。相关成果以“Atom-trap trace analysis of 41Ca/Ca down to the 10-17level”为题于3月2日在线发表在《自然- 物理》期刊上 [Nature Physics]。图1.钙-41同位素由宇宙射线诱导产生，有望应用于冰川与古生物等自然界样品的定年研究自然界岩石和生物骨质普遍含有丰富的钙元素，其同位素组成以稳定同位素钙-40为主，同时包含极其少量的放射性同位素钙-41。钙-41的半衰期为10万年，是碳-14半衰期的17倍，因此钙-41可以覆盖比碳-14更古老的定年范围。地球上的钙-41主要由地表浅层（几米深度）内的钙-40捕获宇宙射线中子而产生，其同位素丰度仅为10-16- 10-1

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

中国科大郭光灿院士团队在基于简并腔中涡旋光子的拓扑量子模拟上取得新进展。该团队李传锋、许金时、韩永建等人利用简并光学谐振腔内的涡旋光子构建非厄米人工轨道角动量晶格，观测到了非厄米奇异点。该成果于1月25日发表在国际知名学术期刊《科学·进展》上。奇异点（exceptional point, EP）是非厄米系统的独特性质，它们存在于与周围环境有能量交换的开放系统中，是拓扑物理重要的研究对象。此前李传锋、许金时等人已利用光的轨道角动量构建一维的人工拓扑晶格，成功搭建了基于简并腔中涡旋光子的拓扑量子模拟平台[Nature Commun. 13, 2040 (2022)]。基于这一平台，在本成果中研究组巧妙地引入一个参数赝动量，并在人工轨道角动量与参数赝动量构成的二维动量空间中构建了狄拉克点。进一步通过在人工轨道角动量晶格上引入偏振非平衡损耗（图1A所示），使动量空间中的狄拉克点劈裂成一对奇异点。图1：实验原理与实验结果图。 （A）人工轨道角动量晶格示意图。圆圈代表轨道角动量，m为轨道角动量量子数，红色和蓝色分别代表左旋和右旋圆偏振光，直线箭头代表模式间相互作用，曲线箭头代表耗散。（

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