研究进展

分子间的能量转移过程是生命活动与光电转换中的基本过程，是分子光谱学与光化学等领域的研究重点。其中，一个重要的科学问题是如何理解光合作用中的高效能量转移机制，以及其中是否存在高效的波状量子相干传能过程。早在20世纪30年代，理论分析就指出，当供体−受体分子间距离非常小时，分子间的偶极耦合强度就可以大于各自耗散，使得激发能量可以离域在整个供受体分子系统上，这样一来，能量就能以波状量子相干传能的方式在供体和受体分子之间振荡。然而，在实验上，关于量子相干传能过程存在的直接证据一直缺乏。其原因在于：一方面，常用的捕光天线蛋白等生物分子的结构复杂，难以精确地控制分子局域结构与微观环境；另一方面，常规远场稳态和超快光谱技术受到衍射极限的制约，难以对单个分子进行个体化研究，所测量结果受到系综平均效应的影响，反映的是多种过程与机制的平均结果，难以给出微观机理等的直观认识。中国科大单分子科学团队利用自主发展的具有亚纳米空间分辨的电致荧光成像技术，以铂酞菁（能量供体）和锌酞菁分子（能量受体）为模型体系，通过STM操纵可控地改变供体−受体分子的间距与取向等结构特征，同时监控受体分子发光强度随着分子间距

中国科大郭光灿院士团队在量子物理基础研究中取得重要进展。该团队李传锋、许金时、孙凯等人与意大利巴勒莫大学Rosario Lo Franco教授等国际合作者通过调控光子的空间不可分辨性，实现了量子相干性的生成，并展示了其在量子计量任务中的实际应用。该成果于5月20日发表在国际知名杂志《美国国家科学院院刊》上。量子相干性是量子力学中最基础的本质特性，它使得量子系统中会出现“薛定谔猫”等在经典视角下难以理解的现象。对于单粒子量子系统，量子相干性体现在系统处于计算基矢的叠加状态；而对于多粒子量子系统，如果这些粒子是全同粒子，则即使没有任何一个粒子处于相干叠加状态，整个量子系统也可以存在相干性。这种相干性是由于全同粒子之间波函数的空间不可分辨性所导致的。然而，针对基于粒子不可分辨性的量子相干资源，其实验研究面临两个问题：一是需要调控全同粒子之间的不可分辨性来生成具有不同相干度的量子资源，二是需要展示这种相干性在具体量子信息任务中的实际应用，从而证明它是物理上可用的量子资源，而不仅仅是描述全同粒子的特定数学形式的结果。图1. 全同粒子系统的量子相干性及其在相位通道鉴别任务中的应用实验原理示

中国科大郭光灿院士团队在固态量子存储领域取得重要进展。该团队李传锋、周宗权研究组基于自主加工的激光直写波导，实现了光子偏振态的可集成固态量子存储，存储保真度高达99.4±0.6%，该工作显著推进了可集成量子存储器在量子网络中的应用。相关成果近日发表在国际知名学术期刊《Science Bulletin》和《Physical Review Letters》上。光子的偏振态具有操作精度高和抗干扰能力强的特点，在量子信息任务中具有广泛的应用。实现偏振态的可集成量子存储是构建大尺度可集成量子网络的基本需求。稀土掺杂晶体作为一种性能优异的固态量子存储介质，能够结合多种微纳工艺制备出可集成的量子存储器。然而，已有的可集成固态量子存储器均无法实现偏振态的量子存储，这是由于稀土掺杂晶体的光吸收一般是依赖于偏振态的，并且其微纳波导结构也不支持任意偏振态的传输。Eu3+:YSO（掺铕硅酸钇晶体）是实现可移动量子优盘的重要候选材料，李传锋、周宗权研究组基于该材料已实现长达1小时的相干光存储[Nature Communications 12, 2381 (2021)]。在近期工作中研究组注意到掺铕硅

近日，中国科学技术大学潘建伟及其同事彭承志、陈宇翱、印娟等利用“墨子号”量子科学实验卫星在远距离的量子态传输方面取得重要实验进展。该实验首次实现了地球上相距1200公里两个地面站之间的量子态远程传输，向构建全球化量子信息处理和量子通信网络迈出重要一步。相关研究成果于4月26日在线发表在国际知名学术期刊《物理评论快报》上[Physical Review Letters 128, 170501 (2022)]。远距离量子态传输（Quantum state transfer, QST）通常可以利用量子隐形传态来实现，是构建量子通信网络的重要实现途径之一，也是实现多种量子信息处理任务的必要元素。通过远距离量子纠缠分发的辅助，量子态可通过测量然后再重构的方式完成远距离的传输，传输距离在理论上可以是无穷远。但在实现中，量子纠缠分发的距离和品质会受到信道损耗、消相干等因素的影响，如何不断突破传输距离的限制，一直是该领域的重要研究目标之一。利用星载纠缠源向遥远的两地先进行纠缠分发，再进行量子态的制备与重构，是实现远距离量子态传输的最可能路径之一。然而，由于大气湍流的影响，光子在大气信道中传

近日，中国科学技术大学潘建伟、张强等与济南量子技术研究院王向斌、刘洋等合作，实现了一套融合量子密钥分发和光纤振动传感的实验系统，在完成光纤双场量子密钥分发（TF-QKD）的同时，实现了658公里远距离光纤传感，定位精度达到1公里，大幅突破了传统光纤振动传感技术距离难以超过100公里的限制。相关研究成果以“编辑推荐”的形式发表在《物理评论快报》（Physical Review Letters）上，并被美国物理学会（APS）下属网站“Physics”报道。光纤振动传感以光纤作为传感器进行振动感知，通过利用单根光纤同时实现振动监测和信号传输，由于具有灵敏度高、响应快、结构简单、分布均匀等优点，在结构健康监测、油气管道泄漏监测、周界防护和地震监测等工程领域具有广泛的应用前景，因此引起了人们的广泛关注和研究。当前，光纤振动传感多使用分布式声波传感技术，其传感距离被限制在100公里以内，面临的一个重要技术挑战是如何克服距离限制，实现远距离的光纤振动传感。量子密钥分发（QKD）则基于量子力学基本原理，结合“一次一密”的加密方式，可以实现无条件安全的保密通信。因为其重要的现实意义，QKD一

中国科大郭光灿院士团队在硅基半导体量子芯片研究中取得重要进展。该团队郭国平教授、李海欧教授等人与中科院物理所张建军研究员、纽约州立大学布法罗分校胡学东教授以及本源量子计算有限公司合作，在硅基锗空穴量子点中实现了自旋轨道耦合强度的高效调控，为该体系实现自旋轨道开关以及提升自旋量子比特的品质提供了重要的指导意义。研究成果以“Gate-Tunable Spin-Orbit Coupling in a Germanium Hole Double Quantum Dot”为题，于4月27日在线发表在国际应用物理知名期刊《Physical Review Applied》上。硅基自旋量子比特因为其较长的量子退相干时间以及高操控保真度而受到广泛关注，是未来实现量子计算机的有力竞争者。除此之外它与现代半导体工艺相兼容的特点使其大规模扩展成为可能。高操控保真度要求比特在拥有较长的量子退相干时间的同时具备足够快的操控速率。传统的比特操控方式——电子自旋共振由于受到加热效应的限制，其翻转速率较慢。当体系中存在较强的自旋轨道耦合时，理论和实验研究都表明可以利用电偶极自旋共振实现自旋比特的翻转，其翻转速率

中国科大郭光灿院士团队在基于人工合成维度的量子模拟方面取得重要实验进展。该团队李传锋、许金时、韩永建等人将携带不同轨道角动量的光子（又称为涡旋光子）束缚在简并光学谐振腔内，通过引入光子的自旋轨道耦合人工合成了一维的拓扑晶格，为拓扑量子模拟开创了一种新的方法。研究成果于4月19日发表在国际知名学术期刊《自然·通讯》上。维度是决定宇宙中物质特性的一个重要物理量。然而在科学研究中，由于三维物理世界的限制，我们往往难以研究三维以上的物理系统的性质及演化特性。针对这一难题，研究人员提出可以通过人工合成维度的方式来解决。例如，在一个三维系统中引入两个人工合成维度，就可以在该系统上研究五维的物理性质。实验装置与理论模型示意图：a. 简并光学谐振腔 b. 人工合成光子轨道角动量晶格涡旋光子携带的轨道角动量数目原理上可以无限，是构建人工合成维度的理想载体。中科院量子信息重点实验室的周正威教授研究组早在2015年就首次理论提出基于人工合成光子轨道角动量维度实现量子模拟的方案。李传锋、许金时等人在这一方向上进行了长期的实验探索，先后搭建了基于平面镜、球面镜和椭球面镜的简并光学腔[Opt. Let

中国科大郭光灿院士团队在多频率微波传感上取得新进展。该团队史保森、丁冬生课题组利用人工智能的方法实现了基于里德堡原子多频率微波的精密探测，相关成果4月14日以“Deep learning enhanced Rydberg multifrequency microwave recognition”为题发表在国际知名学术期刊《Nature communications》上。近日国务院发布的《计量发展规划（2021-2035年）》提出在2035年建成以量子计量为核心，科技水平一流、符合时代发展需求和国际化发展潮流的国家现代化先进测量体系。由于里德堡原子具有较大的电偶极矩，可以对微弱的电场产生很强的响应，因此作为一个非常有前景的微波测量体系备受人们的青睐，取得了飞速发展。尽管如此，基于里德堡原子的微波测量领域还存在很多科学问题亟待解决，其中多频率微波接收就是其中一项难题：这是因为多频率微波在原子中会引起复杂的干涉模式，严重干扰了信号接收与识别。近年来，史保森、丁冬生领导的科研团队利用里德堡原子体系，聚焦量子模拟和量子精密测量科学研究，已取得了重要进展。在本工作中，团队基于室温铷原子

中国科大郭光灿院士团队与卢征天教授合作，在芯片化冷原子系统上取得新进展。该团队邹长铃课题组将独立设计的磁场芯片与光栅芯片结合，实现了基于双芯片的冷原子磁光阱系统。相关成果以“Planar-integrated magneto-optical trap”为题3月10日在线发表于国际学术期刊《Physical Review Applied》上。磁光阱作为对原子蒸气进行冷却和俘获的基本手段之一，在现代原子物理领域有广泛的应用。通过磁光阱获得的冷原子系综是实现长相干时间量子比特，以及基于此的量子精密测量、量子模拟、量子计算等应用的必要基础。然而传统磁光阱系统在进一步的可扩展应用上受到一些制约，例如多路自由空间光束对准、庞大的反亥姆霍兹线圈、以及磁场和光场中心的严格重合等挑战。因此，如何实现小型化乃至芯片化的磁光阱系统吸引了国际上研究人员的广泛兴趣。其中，基于光栅芯片的磁光阱极大地简化了传统磁光阱中六束空间光的入射系统，体积小，重量轻，光窗口丰富，可扩展性高，在移动式量子精密测量系统、集成化量子计算系统中有强大的潜力。然而对于磁光阱的另一重要组成部分——磁场线圈，大家仍然只能采用三维

中国科大郭光灿院士团队近期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、孙凯等人对多体量子导引的关系结构进行了实验研究，首次观测到多体量子导引的非单配性共享关系，即其中一方的量子态可以被另外两方同时导引。这项研究成果于3月24日发表在国际知名物理学期刊《物理评论快报》上。量子导引描述了一个粒子通过局域测量影响另一个粒子量子态的能力。作为一种量子非局域现象，量子导引拥有独特的非对称性质，能进一步实现单向量子导引，即一方可以导引另一方，反过来却不行。在多体量子导引的研究中，单配性关系会限制量子导引在个体之间的分享能力，使得一方不能同时被其他参与方导引。然而，理论研究表明，在增加测量方向的情况下，多体量子导引会出现违背单配性的现象，展示出多体之间丰富的导引共享关系结构。为了实验验证这种非单配性共享关系，我们需要能够对多体量子系统进行任意测量，这就要求我们制备具有高保真度的多体纠缠量子比特系统。基于光学平台，李传锋、许金时、孙凯等人近年来系统地开展了量子导引的实验研究，包括全对无（all-versus-nothing）量子导引的验证[PRL 113, 140402 (20