研究进展

科罗拉多州量子计算公司Quantinuum的Eli Chertkov和他的同事仅仅使用了离子阱量子处理器的3到11个量子比特模拟了无限长的、纠缠的类电子粒子链的演变，实现了对全息动力学的基准测试。该方法重复利用量子比特，用量子张量网络态，一类有效压缩量子数据的态，用少量的量子比特模拟无限长的、纠缠的初始态的演变。相关结果表明，张量网络方法与最先进的量子处理器能力相搭配，有望在近期提供一条可行的实现量子计算优势的途径。该研究成果于8月4日发表在《自然•物理学》杂志上。模拟相互作用量子系统的动力学是量子科学中的一个基础问题，是计算材料和微电子器件的电子和光学特性、预测化学反应动力学，甚至揭示早期宇宙发展的基础。量子动力学的早期探索已经对热力学和量子混沌（及其替代方案）的量子基础产生了基本的见解，并揭示了量子多体纠缠结构中引人注目的普遍行为和临界现象。然而，用经典计算机模拟量子动力学也是一个众所周知的难题，通常需要在模拟系统的大小或演化时间上按指数缩放资源。一段时间以来，人们已经知道，量子计算机只能通过多项式缩放资源（量子比特数和电路深度）来模拟量子动力学。因此，量子动力学模拟被广泛认为是首

近日，中国科学技术大学潘建伟及其同事包小辉、张强等，将长寿命冷原子量子存储技术与量子频率转换技术相结合，采用现场光纤在相距直线距离12.5公里的独立量子存储节点间建立纠缠。相关研究成果以编辑推荐（Editors Suggestion）的形式于7月28日发表在《物理评论快报》上，并被美国物理学会（APS）下属网站Physics以”Distant Memories Entangled”为题报道。量子网络的基本单元是远距离双节点纠缠。通过采用量子存储技术对光子进行存储，将使不同节点间的高效纠缠连接成为可能。构建存储器间纠缠并拓展节点间距一直是量子网络方向的研究热点。已实现的双节点纠缠实验中，最远直线距离仅为1.3公里。2020年中国科大潘建伟团队在此方向取得突破 [Nature 578, 240 (2020)]，将双节点纠缠的光纤链路距离拓展至50公里。然而该实验中，两台量子存储器位于同一间实验室，并未实现长程分离。图：量子存储节点分布示意图为实现长程分离的存储器间纠缠，每个量子存储装置需能够独立操控。在本工作中，节点A位于合肥市创新产业园，节点B位于中国科大东区，二者之间由20

中国科大郭光灿院士团队在量子随机数研究领域取得重要原创性进展。该团队韩正甫教授及其合作者王双、银振强、陈巍等提出了一种新型的半设备无关量子随机数发生器协议并进行了实验验证。该协议即使在光源不可信条件下，也无需对探测设备进行表征，使用日常光源即可快速生成安全的量子随机数。该协议全面地提升了量子随机数发生器的安全性与实用性，为半设备无关量子随机数发生器的实用化奠定了坚实基础。相关研究成果于7月28日以“Certified Randomness from Untrusted Sources and Uncharacterized Measurements”为题在线发表于著名国际学术期刊《Physical Review Letters》上。图1 新型半设备无关量子随机数发生器结构示意图随机数是信息时代的一种重要基础资源。量子随机数发生器基于量子物理原理产生具有内禀随机性的真随机数，为科学仿真、密码学等领域提供了极大的助力。在目前受到广泛关注的量子保密通信中，量子随机数发生器更是其中的关键环节。然而，现实中的量子随机数发生器可能具有的非理想性会破坏随机数的不可预测性和私密性。虽然完全设备

近日，中国科学技术大学潘建伟及其同事张强、徐飞虎等，通过发展设备无关理论协议和构建高效率的光学量子纠缠系统，首次在国际上实验实现了设备无关量子密钥分发（DI-QKD）的原理性演示，相关研究成果以编辑推荐（Editors Suggestion）的形式于7月28日在线发表在《物理评论快报》上，并被美国物理学会（APS）下属网站Physics以”Hiding Secrets Using Quantum Entanglement”为题报道。量子密钥分发（QKD）相比于传统通信协议，能够使得两个远距离的用户之间共享信息理论安全性的密钥，结合一次一密的加密方式，可以确保原理上无条件安全的通信。传统QKD方案通常需要对使用的设备有一定的了解和信任，然而在现实条件下，设备可能存在着某些不完美的特性。这些特性往往会为攻击者提供威胁系统安全的侧信道，造成现实条件下的潜在安全隐患。目前的主要解决方案是对设备进行检测并制定相关标准，从而确保其在现实条件下的安全性[Rev. Mod. Phys. 92, 025002 (2020)]。设备无关量子密钥分发（DI-QKD）基于无漏洞量子力学基础检验，提

马克斯普朗克量子光学研究所的Garching 团队开发了一种用于分子气体的新型冷却技术，技巧是基于旋转的微波场，这有助于在冷却过程中通过能量屏障阻止分子之间的非弹性碰撞。通过这种方式，他们成功地将钠钾分子气体冷却到绝对零度以上的十亿分之一度，创造了新的低温记录。该研究成果于7月27日发表在《自然》杂志上。超冷极性分子具有强电偶极矩和丰富的内部结构，这使其成为探索奇异量子物质、实施量子信息方案和测试自然界基本对称性的理想构件。实现它们的全部潜力需要将相互作用的分子气体深深地冷却到量子简并态。但主动冷却到量子简并态仍然具有挑战性。超冷分子有效蒸发冷却的主要障碍是它们的快速碰撞损失。即使是名义上对化学反应稳定的分子，当它们到达短程时也会发生非弹性碰撞。最近，通过施加强直流电场并将分子运动限制在二维，有效地防止了沿第三维的吸引碰撞，40K87Rb的分子气体被稳定并蒸发冷却到费米温度以下。对于三维的分子，通过使用特定的直流电场使碰撞分子的旋转状态相互共振，已经证明了碰撞损失的减少。然而，由于弹性-非弹性碰撞比率低，以及初始相位密度相对较低，试图通过碰撞冷却产生极性分子的简并量子气体，到目前为止在

《美国物理学会新闻》近期发表了题为《一千年前的气候是什么样的？向氩-39要答案》的新闻报道，作者Tess Joosse是威斯康星州麦迪逊市的一名科学记者。文章介绍了中国科学技术大学团队关于氩-39原子阱痕量分析技术的最新进展。以下内容来自《美国物理学会新闻》：在青藏高原的冰川上和南极冰盖的底部，古老的冰层中保存着来自多年前地球大气的氪-81和氩-39等稀有气体同位素，它们包含了关于过去气候的微小线索。“这些同位素是环境中的天然时钟，”中国科学技术大学的研究生储艳清在今年6月份的美国物理学会（APS DAMOP)会议上说。 它们均匀分布在地球大气层中，其惰性使它们免受化学反应的影响。因此，如果我们能探测到这些被称为“示踪剂”的同位素，就可以知道很多关于它们从大气中循环出来时气候的情况。图 1 原子阱痕量分析装置原理图。样品气体从左侧进入真空装置，氩-39（氪-81）原子经过一系列激光的操纵后，在右侧磁光阱中被俘获，其荧光被灵敏的EMCCD相机探测（右上角小图）。然而检测它们并不容易。“想想一公斤冰，”中科大蒋蔚教授说，“其中只有大约2000个氪-81原子”，这对应着9

中国科大郭光灿院士团队在基于里德堡原子的低频射频电场测量上取得重要进展。该团队史保森、丁冬生课题组利用非共振外差方法实现了基于里德堡原子的低频射频电场精密探测，相关成果以“Highly sensitive measurement of a MHz RF electric field with a Rydberg atom sensor”为题发表在国际应用物理期刊《Physical Review Applied》上。里德堡原子由于其较大的电偶极矩和极化率等独特性质，在微波测量领域展现出巨大应用潜力。基于里德堡原子的量子传感器在测量精度﹑抗干扰性以及可朔源等方面有望超越传统微波接收系统，因此该研究方向受到广泛关注，例如：美国陆军研究室、桑迪亚国家实验室等开展了相关研究，并取得了重要进展[Physical Review Applied 13, 054034 (2020)，Physical Review Applied 15, 014047 (2021)]。尽管里德堡原子传感器在GHz高频微波频段探测取得了重要进展，但在MHz附近的低频波段却遇到困难，测量灵敏度较低，其主要原因在于低频

中国科大郭光灿院士团队在量子密钥分发网络化研究方面取得重要进展。该团队韩正甫教授及其合作者王双、银振强、陈巍等实现了抗环境干扰的非可信节点量子密钥分发网络，全面提高了量子密钥分发网络的安全性、可用性和可靠性，向实现下一代量子网络迈出了重要的一步。相关研究成果于7月16日在线发表在国际学术知名期刊《Optica》上[Optica, 9, 812-823(2022)]。网络安全是信息时代的重要主题，量子密钥分发网络以量子物理原理为基础，可为成千上万的用户提供信息论安全的保密通信服务，构建安全可控的网络环境。当前，量子保密通信网络已在全球各地先后部署，在实践中证明了其优越的安全通信能力。但网络中对于可信节点的需求提高了其实际部署的门槛，如何免除用户链路上必须可信的中间节点，降低对通信链路的安全性要求，从而构建下一代基于非可信节点的量子网络，是目前急需解决的问题。测量设备无关量子密钥分发协议（MDI-QKD）通过设置一个非可信节点对编码量子态进行联合测量，可在两个用户间构建安全的通信链路，是构建百公里级城域量子网络的重要角色。然而联合测量不仅限定了参与用户的数量，还对信道环境的稳定

中国科大郭光灿院士团队在基于里德堡原子的无线传感上取得新进展。该团队史保森、丁冬生课题组实现了一种基于里德堡原子的微波频率梳谱仪，在宽带微波的探测领域具有应用前景，相关成果7月14日以“Rydberg microwave frequency comb spectrometer”为题发表在美国物理协会（APS）旗下的应用物理期刊Physical Review Applied上。微波测量在通信、导航、雷达、以及天文探测领域发挥重要作用。里德堡原子具有较大的电偶极矩，它可以对微弱的电场具有很强的响应，因此可以用里德堡原子作为微波传感器。近年来，该研究方向受到广泛关注，例如：美国陆军研究室David H. Meyer等人展示了一个基于热里德堡原子与平面微波波导耦合的原子射频接收器和频谱分析仪[Physical Review Applied 15, 014047 (2021)]。尽管里德堡原子传感研究取得了重要进展，但仍然存在一些亟待解决的问题，比如可实时接收信号的带宽（瞬时带宽）受限于原子系统到达稳态的弛豫时间，通常只有几MHz，严重影响了该体系的实用化进程。在本工作中，研究团队基

中国科学技术大学潘建伟、苑震生等与德国海德堡大学、奥地利因斯布鲁克大学、意大利特伦托大学的相关研究人员合作在超冷原子量子模拟研究中取得重要进展：他们使用超冷原子量子模拟器，对格点规范场理论中非平衡态过渡到平衡态的热化动力学进行了模拟，首次在实验上证实了规范对称性约束下量子多体热化导致的初态信息“丢失”，取得了利用量子模拟方法求解复杂物理问题的重要进展。北京时间07月15日，国际著名学术期刊《科学》杂志发表了该研究成果。规范场理论是现代物理学的基础，如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场理论。随着半个多世纪的发展，它在粒子物理学、宇宙学以及凝聚态物理学等领域获得了广泛应用。由于其求解复杂度高，规范场理论体系中仍然有很多开放问题。其中，规范场理论描述的物理系统是否可以从远离平衡态经过演化达到热平衡就是一个备受关注并极具挑战的问题。这一问题的解决，有助于人们理解高能物理中重核碰撞的问题，也将为现代宇宙学中大爆炸早期物质的形成提供物理解释。但是，使用经典计算机求解复杂的规范场理论是一个公认的难题，量子模拟器为解决这一问题提供了新的路径。近年来，