研究进展

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

近日，中国科学技术大学中科院微观磁共振重点实验室杜江峰院士、樊逢佳教授等人与多伦多大学Oleksandr Voznyy教授合作，在胶体量子点发光材料领域取得重要进展。该研究团队在量子点合成过程中引入晶格应力，调控量子点的能级结构，获得了具有高度发光方向性的量子点材料，此材料应用在量子点发光二极管（QLED）中有望大幅提升器件的发光效率。这一研究成果发表在《Science Advances》杂志上[Science Advances 8, eabl8219 (2022)]。外量子效率（EQE）是QLED器件性能的一个重要评价指标，因此一直是国内外相关研究关注的重点。然而随着研究的推进，器件的内量子效率已经趋于极限（100%），这时若要进一步提升EQE须从外耦合效率角度入手，即提升器件的出光效率。在提升外耦合效率方面，外加光栅或散射结构的方式会增加额外的成本，并带来诸如角度色差等问题。基于此，不增加额外的结构而是使用具有方向性的发光材料，被认为是一种更为可行的解决方案。然而QLED中使用的量子点材料并不具有天然的发光偏振，针对这一点，研究团队经过理论计算和实验设计，在核-壳CdS

中国科学技术大学中科院微观磁共振重点实验室杜江峰、王亚等人在金刚石氮-空位色心体系构建的量子希拉德热机上实验展示了量子关联导致的量子优越性。这项研究成果以“Spin Quantum Heat Engine Quantified by Quantum Steering”为题发表在近期的《物理学评论快报》[Phys. Rev. Lett. 128, 090602 (2022)]上。该工作被PRL编辑选作编辑推荐文章，并在Physics杂志以“Steering Toward a Quantum Advantage”为题进行报道。热机在人类社会发展进程和生活中发挥着重要的作用。如何提高热机效率一直是热力学的核心科学问题。随着量子技术对单分子、单原子操控技术的发展，热力学与量子技术的交叉有望在微观尺度构建出最小的量子热机，并且利用量子特性提高热机效率。到目前为止大家通常关注量子热机中功介质量子系统本身的量子相干性，认为它是效率提升最为关键的量子资源，但是研究显示其作用仍存在争议，没有明确的结论。本工作采取新的思路，专注研究量子关联在量子热机中的作用，发现一类称为“量子导引”的特殊量子关联

近日，中国科大曾长淦教授研究组与吴涛教授研究组合作，在笼目晶格材料平带物性研究方面取得重要进展。研究团队在顺磁性笼目晶格材料CoSn中观测到了费米能级附近的平带电子结构并揭示了由平带电子导致的输运和磁性的反常各向异性。该研究成果以“Flat-Band-Induced Anomalous Anisotropic Charge Transport and Orbital Magnetism in Kagome Metal CoSn”为题于2月28日发表在《Physical Review Letters》杂志上。固体材料的电磁特性很大程度上取决于其电子能带结构。相对于常见的抛物线型色散关系的电子能带，处于两个极端的线性色散能带以及无色散平带是产生新物态及新效应的重要平台。如线性色散能带往往导致新奇的相对论效应和拓扑物性，而平带中电子动能淬灭，电子间库仑相互作用占据主导，是研究强关联效应的理想候选。笼目晶格是一类由顶点共享的三角格子组成的二维晶格结构，理论研究表明这样一个特殊晶格体系会同时存在电子有效质量为零的线性色散能带和有效质量无穷大的平带。曾长淦教授研究组在国际上较早开展了该体系

中国科大郭光灿院士团队在光量子芯片研究中取得重要进展。该团队任希锋研究组与浙江大学光电科学与工程学院/现代光学仪器国家重点实验室戴道锌团队合作，国际首次实现了片上波导模式编码的两比特量子逻辑门操作，相关成果于2月11日在国际知名学术期刊《物理评论快报》发表。经典和量子信息应用都需要大幅提高光子芯片的信息处理和通信能力，从而满足日益增长的光通信和互联的需求。为了实现大规模光量子系统，多光子、多自由度和高维编码是必然途径。多模波导模式具有独特性质，如高维扩展性、紧凑性以及与其它自由度的任意相干转换等，这使得波导模式编码在集成光子学领域中有着广泛的前景。因此，近年来波导模式编码备受关注。任希锋研究组与浙江大学戴道锌团队长期合作致力于硅基光量子器件及芯片研究并取得系列重要进展：（1）国际上首次将波导模式编码用于量子信息处理，实现了波导模式、偏振和路径编码纠缠态之间的相干转换（Nat Commun 7, 11985, 2016）；（2）首次实现波导模式编码纠缠光源制备（npj Quantum Inf 5, 2, 2019）；（3）基于密集波导超晶格阵列构建世界上最小尺寸的光学量子受控