研究进展

中国科大首次实现突破经典极限的量子指纹识别

中国科大潘建伟及其同事张强、李力等与中科院上海微系统与信息技术研究所和美国麻省理工学院的科研人员合作,利用线性光学系统,在20公里的光纤线路中实现了量子指纹识别(Quantum Fingerprinting),突破了经典极限,首次在信道容量上实现了对经典通信的超越。该成果近日发表在国际物理学权威学术期刊《物理评论快报》上 [Physical Review Letters 116, 240502 (2016)]。
 

中国科大在长寿命高效量子存储器研究中取得重要进展

中国科大潘建伟、包小辉等采用冷原子系综在国际上首次实现了百毫秒高效量子存储器,为远距离量子中继系统的构建奠定了坚实基础。该成果近日正式发表在国际权威学术期刊《自然·光子学》上[Nature Photonics 10, 381–384 (2016)]。量子中继可以解决光子信号在光纤内指数衰减的重大难题,是未来实现超远距离量子通信的重要途径之一。量子中继的基本原理是采用分段纠缠分发与纠缠交换相结合来拓展通信距离,其核心是量子存储技术,通过对光子比特进行缓存,可大幅提升纠缠连接效率。为满足远距离量子中继的实际需求,量子存储器需要对单量子态进行长时间存储且具备高读出效率。

中国科大实现综合性能国际最优的单光子源

中国科大潘建伟、陆朝阳等在国际上首次实现基于半导体量子点的高效率和高全同性的单光子源,综合性能达到国际最优,为实现基于固态体系的大规模光子纠缠和量子信息技术奠定了科学基础。国际权威学术期刊《物理评论快报》日前以“编辑推荐”的形式发表了这一研究成果,并在美国物理学会的Physics网站专门撰文介绍。量子点是通过分子束外延方法制备的半导体量子器件,又被称为“人造原子”,原理上可以为量子信息技术提供理想的单光子源。为了能够真正用于可扩展、实用化的量子信息技术,单光子器件必须同时满足三个核心性能指标:单光子性、高全同性和高提取效率。尽管从2000年开始,国际上许多研究机构(包括加州大学、斯坦福大学、剑桥大学等)对量子点光学调控进行了长期和大量的探索,然而这三个核心指标一直无法得到同时满足,因而成为固态量子光学领域15年来悬而未决的重大挑战。

中国科大研制成功世界上最快的量子随机数发生器

最近,中国科大潘建伟、张军等和英国牛津大学的同事合作,实验实现了68 Gbps的高速量子随机数发生器,相关论文发表于仪器领域权威期刊《科学仪器评论》[Rev. Sci. Instrum. 86, 063105 (2015)]。美国著名的科技评论杂志MIT Technology Review以“世界最快的量子随机数发生器在中国诞生(World's Fastest Quantum Random Number Generator Unveiled in China)”为题对该项工作进行了报道。该成果为未来超高速量子密码系统的量子随机数需求提供了可行的解决方案。

中国科大在高容错率量子密码研究中取得重要进展

中国科大潘建伟、张强等和清华大学马雄峰合作在国际上首次实验演示了高容错率量子密钥分发,他们在50公里的光纤链路上,误码率达29%的条件下仍然获得了安全密钥,相关结果近期发表在国际权威物理学期刊《物理评论快报》上[Phys. Rev. Lett. 114, 180502 (2015)]。Rev. Lett. 114, 180502 (2015)]。量子密钥分发从原理上保证了通信的绝对安全性。在量子密钥分发协议的安全性分析中,通常认为错误来自于信道噪声和窃听两个方面。当误码率超过一定界限,通信将不再安全。例如,著名的BB84协议的误码率极限是25%,而当前能够安全成码的量子密钥分发系统的误码率都在10%以下。一个高容错率的量子密钥分发系统能够容忍更多的环境噪声和更高的误码率,此前很多不保密的环境,如果使用高容错率的协议,也能实现安全的量子密钥分发,所以获得高容错率量子密钥分发协议一直以来都是量子密码学界的一个研究热点,大量的关于高容错率量子密钥分发协议被提出,然而遗憾的是,这些协议大都难以实验实现。

固态微纳结构量子调控取得重要突破:中国科大发现基于单原子层的新型单光子源

中国科大潘建伟、陆朝阳等与华盛顿大学许晓栋、香港大学姚望合作,在国际上首次在类石墨烯单原子层半导体材料中发现非经典单光子发射,连接了量子光学和二维材料这两个重要领域,打开了一条通往新型光量子器件的道路。该工作于北京时间5月5日在线发表在《自然》杂志子刊《自然•纳米技术》上。同期的“新闻视角”(News & Views)栏目撰文评论该工作“开辟了一个新的研究领域”。自从2004年曼彻斯特大学的Geim和Novoselov成功制备石墨烯(即单原子层碳)以来,其美妙的物理内涵和优异的性质引发了对基础和应用研究的热潮。然而石墨烯的电子结构中不具备能隙,限制了其在光电器件方面的应用。最近,一类新型的有直接带隙的类石墨烯材料:单原子层过渡金属硫化物(如MoS2, WSe2等),由于其独特的光电性质受到广泛的关注。然而,此前国际上所有的关于单原子层二维材料的研究都集中于经典光学领域,还未在实验上观察到如光子反聚束等量子光学现象。

量子计算应对大数据挑战: 中国科大首次实现量子机器学习算法

中国科学技术大学潘建伟教授及其同事陆朝阳、刘乃乐等组成的研究团队在国际上首次实现量子机器学习算法。日前,国际权威物理学期刊《物理评论快报》发表了这一论文[Phys. Rev. Lett. 114, 110504 (2015)]。这是量子计算应用于大数据分析和人工智能领域的开创性实验工作。 机器学习是人工智能的核心,通过使机器模拟人类学习行为,智能化地从过去的经历中获得经验,从而改善其整体性能,重组内在知识结构,并对未知事件进行准确的推断。机器学习在科学和工程诸多领域都有着非常广泛的应用,例如金融分析、数据挖掘、生物信息学、医学诊断等。生活中常见的一些智能系统也广泛使用机器学习算法,例如电子商务、手写输入、邮件过滤等。

中国科大在量子点单光子源量子调控方面取得系列重要进展

日前,中国科大潘建伟、陆朝阳等组成的研究小组,在国际上首次发展了量子光学实验方法动态调控“人造原子”的单光子发射,在两能级原子体系中通过多激光缀饰态和量子干涉机理消除自发辐射谱线,证实了多光子ac斯塔克效应和自发辐射相干理论,为固态体系单性能单光子源和量子计算的研究开辟了新途径。研究成果发表在3月6日出版的《物理评论快报》上,并被选为“编辑推荐”(Editor’s suggestion)论文重点推介。该工作受到审稿人高度评价:“尽管这个量子光学现象在20年前已经预言,且具有了很大的影响力,但从未被观测到过”、“这是一个十分漂亮的实验工作,揭示的物理现象十分清晰”。

量子模拟—人工合成自旋-轨道耦合体系研究取得重要进展

中国科学技术大学潘建伟教授及其同事陈帅、邓友金等在超冷原子量子模拟领域取得重要进展。他们在超冷铷原子形成的自旋-轨道耦合玻色-爱因斯坦凝聚体系中,首次在实验上精确测量了该体系完整的激发谱特性,发现并深入研究了该激发谱中“旋子-声子”结构的性质。该实验除进一步揭示了自旋-轨道耦合体系超流性质外,更为重要的是首次揭示弱且短程的相互作用体系可以具有旋子形式的激发谱,为今后强关联体系的量子模拟提供新的途径。该成果以“Softening of Roton and Phonon Modes in a Bose-Einstein Condensate with Spin-Orbit Coupling”为题发表于3月13日出版的《物理评论快报》[Phys. Rev. Lett. 114, 105301 (2015)]上。

多方量子通信理论研究取得新进展

近日, 中国科大合肥微尺度物质科学国家实验室量子物理与信息研究部陈增兵教授研究组结合诱骗态和测量设备无关的量子密钥分发技术,提出了一个可以在百公里量级分发后选择多光子纠缠态并进行多方量子通信的实用化方案,在实用化、远距离多方量子通信方面迈出了重要的一步。该研究成果发表于3月6日出版的国际权威物理学期刊《物理评论快报》[Phys. Rev. Lett. 114, 090501 (2015)] 上。多方量子通信旨在为多用户保密通信提供基于量子力学原理的安全性。自M. Hillery等于1999年提出多方量子通信方案后,这一研究方向成为了量子通信研究领域中的一个重要课题,其可能的应用范围涵盖多方秘密会议、远程投票、网上选举等。