研究进展

中国科大实现设备无关量子密钥分发

        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)]。

中国科大超冷原子量子模拟获重要进展:格点规范场理论热化问题得解

        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。

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中国科大在《现代物理评论》上发表空间量子实验综述论文

        近期,中国科学技术大学潘建伟及其同事彭承志、陆朝阳、曹原应邀在国际物理学权威综述期刊《现代物理评论》(Review of Modern Physics)上发表题为“基于‘墨子号’卫星的空间量子实验”(Micius quantum experiments in space)的长篇综述论文。该论文从量子信息理论的基本概念、早期量子通信和量子信息相关原理性实验、面向卫星的地面大空间尺度验证实验,以及“墨子号”卫星从立项、研制、在轨运行到最终在国际上率先完成一系列星地量子科学实验,进行了系统性的阐述和总结。同时,该综述论文还对国际空间量子科学的研究进展进行了梳理。“墨子号”的成功激励了国际空间量子科学的研究热潮,美国、欧盟、日本等国际上的各方力量随后皆开始探索自己的广域量子通信之路,提出或加速了一系列空间量子科学布局。论文的最后,对于进一步构建覆盖全球的量子通信网络和基于空间平台的量子物理基础研究进行了前瞻性的展望,表明“墨子号”系列实验开启了利用空间平台开展量子信息和量子物理前沿研究的广阔天地。

“墨子号”实验实现相距1200公里两个地面站之间的量子态远程传输

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。

中国科大成功融合远距离量子密钥分发和光纤振动传感

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。

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我国科学家首次在超冷原子分子混合气中实现三原子分子的量子相干合成

中国科学技术大学潘建伟、赵博等与中国科学院化学所白春礼小组合作,在超冷原子双原子分子混合气中首次实现三原子分子的相干合成。在该研究中,他们在钾原子和钠钾基态分子的Feshbach共振附近利用射频场将原子和双原子分子相干地合成了超冷三原子分子,向基于超冷原子分子的量子模拟和超冷量子化学的研究迈出了重要一步。2月10日,这一重要研究成果发表在国际权威学术期刊《自然》杂志上。

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中国科学家首次观测到费米超流中的熵波临界发散

        中国科学技术大学潘建伟、姚星灿、陈宇翱等与澳大利亚科学家胡辉合作,首次在处于强相互作用(幺正)极限下的费米超流体中观测到了熵波衰减的临界发散行为,揭示了该体系存在着一个可观的相变临界区,并获得了热导率与粘滞系数等重要的输运系数。该项工作为理解强相互作用费米体系的量子输运现象提供了重要的实验信息,是利用量子模拟解决重要物理问题的一个范例。2月4日,该成果以长文(research article)的形式发表在国际权威学术期刊Science上[文章号]。

        80多年前,朗道建立了两流体理论,成功解释了氦-4液体(强相互作用玻色体系)的超流现象,并预言了熵或温度会以波的形式在超流中传播。熵波的性质与传统声波类似,它在传播过程中会逐渐衰减,因此朗道又将其命名为第二声(second sound)。第二声的传播和衰减与超流序参量直接耦合,是一种只存在于超流体中的独特量子输运现象。在费米超流中研究第二声的衰减行为,不仅能回答“两流体理论能否描述强相互作用费米超流的低能物理”这一长期存在的问题,还能表征强相互作用费米体系在超流相变处的临界输运现象。

中国科大首次实验排除实数形式的标准量子力学

        中国科学技术大学潘建伟、陆朝阳、朱晓波等和西班牙塞维利亚大学Cabello教授合作,利用超高精度超导量子线路实现确定性纠缠交换,以超过43个标准差的实验精度证明了实数无法完整描述标准量子力学,确立了复数的客观实在性。相关研究成果近日以“编辑推荐”的形式发表在《物理学评论快报》上。美国物理学会Physics网站和《自然》杂志分别邀请国际专家撰写了相关Viewpoint和News & Views评论文章。

        物理学家使用数学来描述自然规律。在经典物理学中,人们只用实数就可以写出所有定律,而复数仅仅作为一个方便的计算工具被主观引入。随着量子力学诞生,复数逐渐表现出某种直觉上的不可排除性:理论上,作为量子力学基石的薛定谔方程和海森堡对易关系其本身就是依赖于复数写出的;实验上,人们直接测量到了波函数的实部与虚部。这说明复数可能不是一个主观引入的计算符号,而是可以实验检测的物理实在。

中国科大成功实现超导体系“量子计算优越性”

        中国科学技术大学中科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中科院上海技术物理研究所合作,构建了66比特可编程超导量子计算原型机“祖冲之二号”,实现了对“量子随机线路取样”任务的快速求解。根据现有理论,“祖冲之二号”处理的量子随机线路取样问题的速度比目前最快的超级计算机快7个数量级,计算复杂度比谷歌公开报道的53比特超导量子计算原型机“悬铃木”提高了6个数量级(“悬铃木”处理“量子随机线路取样”问题比经典超算快2个数量级),这一成果是我国继光量子计算原型机“九章”后在超导量子比特体系首次达到“量子计算优越性”里程碑,使得我国成为目前唯一同时在两种物理体系都达到这一里程碑的国家。相关论文发表在《物理评论快报》和《科学通报》上。

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中国科大成功研制113个光子的“九章二号”量子计算原型机

        中国科学技术大学中科院量子信息与量子科技创新研究院潘建伟、陆朝阳、刘乃乐等组成的研究团队与中科院上海微系统所、国家并行计算机工程技术研究中心合作,发展了量子光源受激放大的理论和实验方法,构建了113个光子144模式的量子计算原型机“九章二号”,并实现了相位可编程功能,完成了对用于演示“量子计算优越性”的高斯玻色取样任务的快速求解。根据现已正式发表的最优经典算法理论,“九章二号”处理高斯玻色取样的速度比目前最快的超级计算机快1024倍。这一成果再次刷新了国际上光量子操纵的技术水平,进一步提供了量子计算加速的实验证据。相关论文于2021年10月26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。著名量子物理学家、加拿大Calgary大学教授Barry Sanders同时受邀在Physics网站上誊写长篇评述文章,称赞该工作是“令人激动的实验杰作”(dramatic tour de force.....),“令人印象深刻的最前沿的进步”(an impressive advance over the state-of-the-art)。