研究进展

中国科大构建国际首个基于纠缠的城域量子网络

        中国科学技术大学潘建伟、包小辉、张强等首次采用单光子干涉在独立存储节点间建立纠缠,并以此为基础构建了国际首个基于纠缠的城域三节点量子网络。该工作使得现实量子纠缠网络的距离由以往的几十米整整提升了三个数量级至几十公里,为后续开展盲量子计算、分布式量子计算、量子增强长基线干涉等量子网络应用奠定了科学与技术基础。相关研究成果于5月15日在线发表在国际学术期刊《自然》杂志上。

        通过量子态的远程传输来构建量子网络是大尺度量子信息处理的基本要素。基于量子网络,可以实现广域量子密钥分发以及分布式量子计算和量子传感,构成未来“量子互联网”的技术基础。目前,基于单光子传输的量子密钥网络已发展成熟,而面向分布式量子计算、分布式量子传感等进一步量子网络应用,需要采用量子中继技术在远距离量子存储器间构建量子纠缠,在此基础上通过广域量子隐形传态将各个量子信息处理节点连接起来。

中国科大首次实现光子的分数量子反常霍尔态

        中国科学技术大学潘建伟、陆朝阳、陈明城教授等利用基于自主研发的Plasmonium(等离子体跃迁型)超导高非简谐性光学谐振器阵列,实现了光子间的非线性相互作用,并进一步在此系统中构建出作用于光子的等效磁场以构造人工规范场,在国际上首次实现了光子的分数量子反常霍尔态。这是利用“自底而上”的量子模拟方法进行量子物态和量子计算研究的重要进展。相关成果以长文的形式于北京时间5月3日发表在国际学术期刊《科学》上。

图1:成果示意图。16个非线性“光子盒”阵列囚禁的微波光子强相互作用形成分数量子反常霍尔态(注:“光子盒”的名字最早来自1930年爱因斯坦和波尔争论中提出的思想实验)。

中国科大在量子纠缠的研究中取得重要进展

中国科学技术大学郁司夏、孙亮亮、周祥与安徽大学许振朋、隆德大学Armin Tavakoli等合作,在量子纠缠的研究中取得重要进展,发现原本只是探测纠缠有无的实验数据可以用来估计纠缠大小。团队利用常用纠缠目击者(Entanglement witness)的平均值,在三类常见的实验条件下,即器件完全可信(Trusted Device)、测量装置不可信 (Measurement-Device-Independent)、实验装置完全不可信 (Device Independent),给出几乎所有常用纠缠度量下限的估计,将探测纠缠的实验零代价地提升成为估计纠缠的实验。相关成果近日已在线发表在国际知名学术期刊《物理评论快报》上。

中国科大实现“九章三号”光量子计算原型机

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、陆朝阳、刘乃乐等组成的研究团队与中国科学院上海微系统所、国家并行计算机工程技术研究中心合作,成功构建了255个光子的量子计算原型机“九章三号”,再度刷新了光量子信息的技术水平和量子计算优越性的世界纪录。科研人员设计了时空解复用的光子探测新方法,构建了高保真度的准光子数可分辨探测器,提升了光子操纵水平和量子计算复杂度。根据公开正式发表的最优经典精确采样算法,“九章三号”处理高斯玻色取样的速度比上一代“九章二号”提升一百万倍。“九章三号”在百万分之一秒时间内所处理的最高复杂度的样本,需要当前最强的超级计算机“前沿”(Frontier)花费超过二百亿年的时间。这一成果进一步巩固了我国在光量子计算领域的国际领先地位。

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中国科大成功实现最大规模的51比特量子纠缠态制备

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年起先后完成了10比特、12比特、18比特的真纠缠态制备,不断刷新超导量子计算领域的纠缠比特数目纪录。

九章光量子计算原型机求解图论问题

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。

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                                                    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

我国科学家实现千公里无中继光纤量子密钥分发

中国科学技术大学潘建伟、张强等与清华大学王向斌、济南量子技术研究院刘洋、中国科学院上海微系统所尤立星、张伟君等合作,通过发展低串扰相位参考信号控制、极低噪声单光子探测器等技术,实现了光纤中1002公里点对点远距离量子密钥分发,不仅创下了光纤无中继量子密钥分发距离的世界纪录,也提供了城际量子通信高速率主干链路的方案。相关研究成果于5月25日发表在国际学术期刊《物理评论快报》(Physical Review Letters)杂志。

量子密钥分发(QKD)基于量子力学基本原理,可以在用户间进行安全的密钥分发,结合“一次一密”的加密方式,进而可实现最高安全性的保密通信。然而,量子密钥分发的距离一直受到通信光纤的固有损耗和探测器噪声等因素的限制。双场量子密钥分发(TF-QKD)协议利用单光子干涉的特性,将成码率与距离的关系从一般量子密钥分发的线性关系提升至平方根的水平,因此可以获得远超过一般量子密钥分发方案的成码距离。

中国科大实现百兆比特率量子密钥分发

中国科学技术大学潘建伟、徐飞虎等与上海微系统所、济南量子技术研究院、哈尔滨工业大学等单位的科研人员合作,通过发展高保真度集成光子学量子态调控、高计数率超导单光子探测等关键技术,首次在国际上实现百兆比特率的实时量子密钥分发,实验结果将此前的成码率纪录提升一个数量级。该成果于3月14日在线发表于国际著名学术期刊《自然-光子学》(Nature Photonics)杂志。

量子密钥分发(QKD)基于量子力学基本原理,可以实现原理上无条件安全的保密通信。提高QKD的成码率对其实用化起着至关重要的作用。高码率可为更多用户提供服务,实现大数据共享、分布式存储加密等高带宽需求的应用。此前国际上最高的实时成码率是10Mb/s(10公里标准光纤信道下)。为了实现更高的密钥率,需要解决系统发送端、接收端和后处理等技术瓶颈。在发送端,高码率QKD需要高保真度的量子态调制,然而现有QKD系统在高速调制下会产生较高误码率;在接收端,同时具有高效率和高计数率能力的单光子探测器不可或缺,超导纳米线单光子探测器(SNSPD)具有高效率和低噪声的优点,但其计数率通常受到较长恢复时间的限制。

中国科大实现模式匹配量子密钥分发

近日,中国科学技术大学潘建伟、陈腾云等与清华大学马雄峰合作,首次在实验上实现了模式匹配量子密钥分发(Mode-pairing QKD),相关研究成果于1月17日发表在《物理评论快报》(Physical Review Letters)上。

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                                                                    图1.模式匹配量子密钥分发协议示意图

中国科大首次制备高相空间密度的超冷三原子分子系综

中国科学技术大学潘建伟、赵博等,利用相干合成方法在国际上首次制备了高相空间密度的超冷三原子分子系综。在该研究中,他们在基态双原子分子和原子Feshbach共振附近利用磁缔合技术从简并的钠钾分子-钾原子混合气中制备了超冷三原子分子系综,向基于超冷分子的超冷量子化学和量子模拟研究迈出了重要一步。北京时间12月2日,这一研究成果发表在国际权威学术期刊《科学》杂志上。

利用高度可控的超冷分子来模拟复杂的难于计算的化学反应过程,可以对复杂系统进行精确的全方位的研究,因而在超冷化学和新型材料设计中具有广泛的应用前景。但由于分子内部的振转能级非常复杂,缺少激光冷却所需要的循环跃迁,导致通过直接冷却的方法来制备超冷分子非常困难。随着冷原子技术的发展,从超冷原子出发相干合成超冷分子为制备超冷分子系综提供了一条全新的途径。