研究进展

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)。

中国科大完成基于颜色擦除强度干涉的高空间分辨成像

9月3日,中国科大潘建伟、张强等与美国麻省理工学院Frank Wilczek合作,利用济南量子技术研究院研制的周期极化铌酸锂波导,搭建颜色擦除强度干涉仪,成功分辨出1.43km距离外相距4.2mm的两个不同波长(1063.6nm和1064.4 nm)光源,以超过单望远镜衍射极限40倍的结果验证了颜色擦除强度干涉技术(chromatic intensity Interferometry)具备高空间分辨成像能力,拓展了强度干涉技术的应用范围,有望被应用于天文观测、空间遥感和空间碎片探测等领域,相关成果发表在国际知名学术期刊《物理评论快报》上。

中国科大实现高精度非视域成像

中国科学技术大学教授潘建伟、张强、徐飞虎等与济南量子技术研究院合作,利用频率上转换单光子探测技术,实验实现了毫米级非视域三维成像,是目前非视域成像的最高精度,为该技术的实用化发展开辟了新道路。研究成果于2021年7月28日发表在国际知名学术期刊《物理评论快报》上,并被美国物理协会下属网站Physics SYNOPSIS栏目专题报道。

传统光学成像手段只能对相机视场范围内的目标物体进行成像。非视域成像利用单光子探测技术记录单个光子的飞行时间信息,结合相关计算成像算法,可以实现对相机视场范围外的目标成像。该技术在反恐侦察、医疗检测等领域具有广泛的应用价值。在非视域成像技术中,由于光子的飞行时间信息包含了物体间的相对空间位置信息,故对光子飞行时间记录的精度会直接影响物体三维空间重构的精度。传统的非视域成像实验受限于单光子探测器的时间分辨能力(最优几十皮秒),其成像精度仅能达到厘米级。

中国科大实现迄今最快的实时量子随机数发生器

近日,中国科大教授潘建伟、张军等联合浙江大学储涛教授研究组,通过研制硅基光子集成芯片和优化实时后处理,实现了速率达18.8 Gbps迄今最快的实时量子随机数发生器,相关研究成果以“封面论文”的形式发表于《应用物理快报》[Appl. Phys. Lett. 118, 264001 (2021)]。美国物理联合会(AIP)以“量子随机数发生器实现尺寸和性能新基准(Quantum Random Number Generator Sets Benchmark for Size, Performance)”为题刊发新闻稿对该工作进行了报道,SciTechDaily、phys.org、Scienceblog、MIT Technology Review等多家科技媒体也进行了相关转载报道。

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中国科大成功实现500公里量级现场无中继光纤量子密钥分发 创下现场光纤量子保密通信新的世界纪录

近日,中国科学技术大学教授潘建伟及其同事张强、陈腾云与济南量子技术研究院王向斌、刘洋等合作,利用中科院上海微系统所尤立星小组研制的超导探测器,基于“济青干线”现场光缆,突破现场远距离高性能单光子干涉技术,分别采用激光注入锁定实现了428公里双场量子密钥分发(TF-QKD),同时利用时频传递技术实现了511公里TF-QKD,是目前现场无中继光纤QKD最远的传输距离。相关研究成果分别发表于国际著名学术期刊《物理评论快报》(被选为编辑推荐文章)和《自然·光子学》上,并被APS下属网站Physics SYNOPSIS栏目和英国《新科学家》报道。

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中国科大成功研制62比特可编程超导量子计算处理器

中国科大中科院量子信息与量子科技创新研究院(以下简称量子创新研究院)潘建伟、朱晓波、彭承志等组成的研究团队,成功研制了62比特可编程超导量子计算原型机“祖冲之号”,并在此基础上实现了可编程的二维量子行走。相关研究成果于2021年5月7日在线发表在国际学术期刊《科学》杂志上。

量子计算机在原理上具有超快的并行计算能力,可望通过特定算法在一些具有重大社会和经济价值的问题方面(如密码破译、大数据优化、材料设计、药物分析等)相比经典计算机实现指数级别的加速。当前,量子计算机研制作为世界科技前沿的重大挑战之一,已经成为欧美各发达国家竞相角逐的焦点。超导量子计算,作为最有希望实现可拓展量子计算的候选者之一,其核心目标是如何同步地增加所集成的量子比特数目以及提升超导量子比特性能,从而能够高精度相干操控更多的量子比特,实现对特定问题处理速度上的指数加速,并最终应用于实际问题中。