研究进展

中国科学技术大学潘建伟、苑震生等与清华大学马雄峰、复旦大学周游合作，使用光晶格中束缚的超冷原子，通过制备二维原子阵列、产生原子比特纠缠对、连接纠缠对的分步扩展方式制备了多原子纠缠态，并通过显微学技术调控和观测了其纠缠性质，向制备和测控大规模中性原子纠缠态迈出重要一步。这项研究成果近日发表在国际权威学术期刊《物理评论快报》上，美国物理学会“Physics”以《光晶格量子计算机的里程碑》（Milestone for Optical-Lattice Quantum Computer）为题作了报道。图示：量子气体显微镜和晶体中多体纠缠态示意图量子纠缠是量子计算的核心资源，量子计算的能力将随纠缠比特数目的增长呈指数增长。因而，大规模纠缠态的制备、测量和相干操控是该研究领域的核心问题。在实现量子比特的众多物理体系中，光晶格中的超冷原子比特具备良好的相干性、可扩展性和高精度的量子操控性，成为实现量子信息处理的理想物理体系之一。自2010年开始，中国科大研究团队系统地研究了光晶格中原子的多体相变、原子相互作用、熵分布动力学等，并于2020年实现纠缠保真度为99.3%的1000多对原子纠缠态[N

中国科学技术大学杜江峰院士团队利用金刚石中氮-空位色心作为固态自旋量子传感器，在微观尺度对于一系列新奇自旋相互作用展开实验搜寻并给出新的实验限定。相关研究成果分别发表在《国家科学评论》[National Science Review 10, nwac262 (2023)]、《物理评论快报》[Phys. Rev. Lett. 131, 071801 (2023)]和《美国国家科学院院刊》[Proc. Natl. Acad. Sci. 120, e2302145120 (2023)]。探索超越标准模型的新物理现象能够有助于解答一些不能用标准模型解释的基本问题，例如强CP疑难以及暗物质与暗能量的物理本质。近年来对一些新玻色子诱导的新奇自旋相互作用进行实验搜寻成为研究重点。2018年杜江峰团队在国际上原创提出将金刚石氮-空位(NV)色心的单电子自旋构筑为量子传感器，可用于搜寻电子与核之间的新奇自旋相互作用，并成功将实验搜寻的力程拓展到亚微米尺度[Nature Communications 9, 739 (2018)]。随后对一系列自旋相互作用在微观尺度实现了高精度的实验搜寻[Physi

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

中国科大郭光灿院士团队在量子物理基本问题研究中取得重要进展。该团队李传锋、许金时等与南开大学陈景灵教授、西班牙塞维利亚大学Adán Cabello教授等合作，实验研究了单体高维量子系统中对应于多体非定域性的量子关联，从而观测到迄今为止单体量子系统中最强的量子互文性。该成果6月13日发表在国际知名期刊《物理评论快报》上。量子互文性是量子力学的一个奇特性质，也是实现通用量子计算的重要资源。它指的是一个物理量在量子测量下的结果依赖于测量进行的方式，而不仅仅是被测量的物理量本身。量子互文性使得量子力学与任何非互文性的隐变量理论都不相容，并且量子互文性与量子非定域性具有紧密的联系。量子非定域性就是量子互文性在多体系统中与非互文隐变量理论相矛盾的表现。贝尔不等式的违背值可以表征非定域性的大小，研究表明贝尔不等式的违背值可以随量子比特数指数增加。然而，尽管在单体高维量子系统中可以构造出比多体系统中更丰富的测量，如何在其中获得超越非定域性关联强度的互文性却一直是悬而未决的问题。为了构造并观测到单体系统中更强的量子互文性关联，研究组从量子关联的图论方法入手，将非定域性关联中所使用的测量之间的

中国科大郭光灿院士团队在半导体量子点-微波谐振腔杂化系统的动力学驱动研究中取得重要进展。该团队郭国平教授和曹刚教授等人与马德里材料科学研究所西格蒙德·科勒（Sigmund Kohler）高级研究员以及本源量子计算有限公司合作，从实验和理论上研究了非色散耦合的受驱量子点-微波谐振腔杂化系统，发展并验证了一种可适用于不同耦合强度和多量子比特系统的响应理论方法。研究成果以“Probing Two Driven Double Quantum Dots Strongly Coupled to a Cavity”为题，作为封面文章发表在6月9日出版的国际物理知名期刊《Physical Review Letters》上。微波光子与半导体量子比特的强耦合是当前的研究热点，它既是利用微波光子实现量子比特间长程相干耦合的前提，也是探索丰富的光与物质相互作用的钥匙。在之前的工作中（Science Bulletin 66, 332–338 (2021)），课题组借助高阻抗超导微波谐振腔，实现了量子点-微波谐振腔杂化系统的强耦合。在此基础上，课题组进一步研究了强耦合杂化系统在周期性驱动下的动力学现象。　

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

中国科大郭光灿院士团队在量子密钥分发（QKD）的实际安全性研究方面取得重要进展。该团队韩正甫、王双、银振强、陈巍等发现了QKD发送端调制器件的一种潜在安全性漏洞，并利用该漏洞完成的量子黑客攻击实验表明：当QKD的发送端未对该漏洞进行严格防护时，攻击者有可能利用其获取全部的密钥信息。相关研究的两项成果分别于4月20日和5月16日在线发表在国际学术知名期刊《Optica》[Optica, 10, 520-527(2023)]和《Physical Review Applied》[Physical Review Applied, 19,054052(2023)]上，并入选当期的编辑推荐工作。QKD理论上可以在用户之间生成信息论安全的密钥，然而实际设备的非理想特性可能会与理论假设不符，从而被窃听者利用。因此，对QKD系统的实际安全性进行全面而深入的分析，进而设计更完善、更安全的实际系统，是推进QKD实用化的重要环节。郭光灿、韩正甫研究组在QKD系统的实际安全性分析及攻防技术上取得了一系列研究成果，包括：发现探测设备的雪崩过渡区控制漏洞[Physical Review Applied, 1

中国科大郭光灿院士团队在集成化量子光源制备研究中取得重要进展。该团队任希锋研究组基于低温集成自发四波混频过程，展示了低温条件下集成量子纠缠光源的制备，相关成果于6月2日发表在光学知名学术期刊Optica上。光量子集成芯片，以其极高的相位稳定性和可重构性，逐渐发展成为展示新型量子应用、开发新型量子器件的理想平台。目前大多数光量子集成器件聚焦于室温条件下的功能，但许多量子元件（如超导纳米线单光子探测器）和半导体、超导量子计算系统，都需要在低温条件下运行。为了实现光量子系统的全片上集成和光互联不同量子计算系统构建量子网络，低温非线性过程研究不可或缺。研究组将集成微纳硅波导置于低温腔中，研究了4 K—294K温度下硅波导中的自发四波混频过程，并基于该过程实现了低温集成量子纠缠光源的制备。图1.低温集成量子光源实验系统该成果成功地将基于自发四波混频过程的量子光源扩展到低温条件，为光量子器件的全片上集成和低温条件下非线性光学的进一步应用奠定了基础。审稿人对该工作给出了高度评价：“This paper provides useful insight into the study of i

中国科大郭光灿院士团队胡晓敏、郭钰、柳必恒、李传锋等人受邀为《自然·综述物理》撰写量子隐形传态综述论文。5月24日，论文以 “量子隐形传态进展”（Progress in quantum teleportation）为题在线发表。近年来，李传锋、柳必恒研究组致力于高维量子隐形传态及量子网络的实验研究，制备出世界上保真度最高的32维量子纠缠[PRL125, 090503 (2020)]，实现了高维纠缠在11公里光纤中的有效传输[Optica 7, 738 (2020); PRL126, 010503 (2021)]，实现高效量子纠缠探测[PRL127, 020401 (2021); PRL127, 220501 (2021); PRL 129, 030502 (2022); PRL129, 060402 (2022)]、高维量子密集编码[Sci. Adv. 4, eaat9304 (2018)]和高维量子导引[PRL123, 170402 (2019); Optica 10, 66 (2023)]，并在此基础上实现了高维量子隐形传态[PRL 125, 230501 (2020)]等