研究进展

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。

外尔物理量子模拟取得重要进展:中国科大在超冷原子体系实现理想外尔半金属态

中国科学技术大学潘建伟、陈帅等与北京大学刘雄军等合作,在超冷原子模拟拓扑量子材料方面取得了重要进展。研究团队在国际上首次利用超冷原子体系实现了三维自旋轨道耦合,并构造出有且仅有一对外尔点的理想外尔半金属能带结构。该研究成果于4月16日以研究长文(Research Article)的形式发表在国际学术期刊《科学》杂志上 [Science 372, 271-276 (2021)]。由于该工作开启了超越传统凝聚态物理的外尔型拓扑物理的量子模拟,《科学》杂志在同期的视点栏目(Perspective)专门配发了题为“The Weyl side of ultracold matter”的评论文章。

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   图一:A,三维自旋轨道耦合装置示意图。B,实验构造的三维拉曼势结构,导致原子在格点之间的自旋翻转隧穿。

中国科大实现远距离高损耗自由空间高精度时频传递

中国科学技术大学教授潘建伟及其同事张强、彭承志、姜海峰等实现长距离大损耗自由空间高精度时间频率传递实验,在大气噪声、链路损耗、传输延迟效应等多角度仿真了高轨卫星星地高精度时频传递,验证了基于中高轨卫星实现万秒E-18量级稳定度的星地时频传递的可行性,为未来空间光频标科学实验和洲际光钟频率传递和比对奠定了基础。该成果于2021年4月6日在线发表在国际学术知名期刊《Optica》上[Optica,8(4),471-476 (2021)]。

高精度的时间/频率传递和比对技术广泛应用于所有大尺度精密测量系统,在计量科学、相对论检验、引力波探测、广域量子通信、深空导航定位等方面具有重要应用价值。目前国际计量标准体系正处于量子化阶段,由于具有最高准确度,频率标准在精密测量和国际计量体系中居于核心地位,目前除物质的量(mol)外其他基本物理量均直接或间接地溯源到频率标准。另一方面,新型光频标技术的快速发展,导致了其精准程度已经比原有“秒”定义频标好两个数量级;国际计量组织计划2026年讨论“秒”定义变更,技术路线图的重要一环就是洲际E-18量级光频标的时间频率比对。超长距离高精度时间频率传递和比对是目前国际计量和精密测量急需解决的难题,星地传递方式被认为是解决该问题的最可行方案。

中国科大实现200公里单光子三维成像

中国科学技术大学教授潘建伟、徐飞虎等实现超过200公里的远距离单光子三维成像,首次将成像距离从十公里突破到百公里量级,为远距离目标识别、对地观测等领域的应用开辟了新道路。该成果于近期发表在国际学术知名期刊《Optica》上[Optica 8,344-349, 2021]。

如何“看得更远、看得更清”是人类对视觉感知的不懈追求。近年来发展的激光雷达成像技术能够对目标场景进行高精度三维成像。单光子成像雷达作为一种具有单光子级探测灵敏度和皮秒级时间分辨率的新兴激光雷达成像技术,是实现远距离光学成像的理想方案。然而,如何实现远距离单光子成像雷达该领域的研究热点。随着成像距离的拓展,从目标返回的信号光子急剧减少;大气扰动和散射、太阳背景、单光子探测器的暗电流等方面会带来大量的背景噪声;简单的提高激光功率无法解决远距离条件下信噪比极低的问题;因此,实现远距离成像雷达面临着巨大挑战。

中国科大实现远距离非视域成像

中国科学技术大学教授潘建伟、窦贤康、徐飞虎等在国际上实验实现了1.43公里的远距离非视域成像,首次将成像距离从米级提高到公里级,为非视域成像技术的开拓及在实际场景中的应用开辟了新道路。该成果于2021年3月4日发表在国际学术知名期刊《美国国家科学院院刊》上[PNAS 118, e2024468118 (2021)]。

成像是一个古老而又常新的话题,从墨子的小孔成像、伽利略的观星望远镜,到现代的激光雷达、核磁共振等,各类成像技术为人类观察世界和探索未知提供了有力工具。然而,这些传统成像技术都是对视域内的物体进行观测,即成像的对象必须在观察者视线内。受限于一定范围的视场,大量充斥在视场以外的视觉信息是传统成像技术无法被捕捉到的。非视域成像技术(Non-line-of-sight imaging)能够对隐藏在视线外的物体进行拍照,实现“隔墙观物”,极大地拓展了人类的成像能力。可以预见,在不远的未来,非视域成像技术将在医疗检测、智能驾驶、军事侦察等诸多领域发挥着重要的应用价值。

中国科大成功验证构建天地一体化量子通信网络的可行性

北京时间1月7日凌晨,中国科学技术大学潘建伟及其同事陈宇翱、彭承志等与中国科学院上海技术物理研究所王建宇研究组、济南量子技术研究院及中国有线电视网络有限公司合作,在国际学术期刊Nature杂志上发表了题为“跨越4600公里的天地一体化量子通信网络”(An integrated space-to-ground quantum communication network over 4,600 kilometres)的论文。

研究团队在量子保密通信京沪干线与“墨子号”量子卫星成功对接的基础上,构建了世界上首个集成700多条地面光纤量子密钥分发(QKD)链路和两个星地自由空间高速QKD链路的广域量子通信网络,实现了地面跨度4600公里的星地一体的大范围、多用户量子密钥分发,并进行了长达两年多的稳定性和安全性测试、标准化研究以及政务金融电力等不同领域的应用示范。论文是对上述成果的一个系统性总结,证明了广域量子保密通信技术在实际应用中的条件已初步成熟。我国科研人员通过构建天地一体化广域量子保密通信网络的雏形,为未来实现覆盖全球的量子保密通信网络奠定了科学与技术基础。

中国科大在量子通信领域取得重要进展:首次在自由空间信道实现测量设备无关量子密钥分发实验

近日,中国科学技术大学潘建伟及其同事彭承志、张强等与清华大学王向斌,中科院上海微系统所尤立星等人合作,首次在国际上实现了基于远距离自由空间信道的测量设备无关量子密钥分发(MDI-QKD)实验。相关成果于2020年12月23日以编辑推荐(Editors' Suggestion)的形式在线发表在《物理评论快报》上(Phys. Rev. Lett. 125, 260503 (2020))。美国物理学会Physics网站以“量子物理保证无线通信安全 ”(Securing a Wireless Link with Quantum Physics)为题专门对该工作做了报道。这项成果不仅实现了将MDI-QKD从光纤信道拓展到自由空间信道的突破,也开启了在自由空间信道中实现基于远距离量子干涉的更复杂的量子信息处理任务的可能。

中国科学家实现“量子计算优越性”里程碑

中国科学技术大学潘建伟、陆朝阳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,构建了76个光子的量子计算原型机“九章”,实现了具有实用前景的“高斯玻色取样”任务的快速求解。根据现有理论,该量子计算系统处理高斯玻色取样的速度比目前最快的超级计算机快一百万亿倍(“九章”一分钟完成的任务,超级计算机需要一亿年)。等效地,其速度比去年谷歌发布的53个超导比特量子计算原型机“悬铃木”快一百亿倍。这一成果使得我国成功达到了量子计算研究的第一个里程碑:量子计算优越性(国外也称之为“量子霸权”)。相关论文于124在线发表在国际学术期刊《科学》。

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中国科大在分布式量子精密测量方面取得重要进展

中国科学技术大学教授潘建伟及其同事陈宇翱、徐飞虎等利用多光子量子纠缠在国际上首次实现分布式量子相位估计的实验验证,这为将来构建基于量子网络的高精度量子传感奠定基础。该成果于11月30日在国际学术知名期刊《自然·光子学》上在线发表。

分布式传感是一种可用于同时执行远程空间多个节点上精密测量任务的重要手段,在日常生活、科学研究和工程等领域有着广泛的应用。例如,该项技术可用于桥梁、飞机等大型结构的应力场分布和温度场分布的有效监测。随着量子技术的不断发展,传感技术也迈进了量子化时代。量子网络作为量子信息和量子计算的重要组成,在执行各类远程多节点任务中起着重要作用。当对多个空间分布的参量进行测量时,分布式量子传感能够实现超越经典统计极限的测量精度。然而,分布式量子传感面对的一个重要问题是:如何选择并制备能够实现对多个参量最优的测量精度的量子纠缠态。研究表明,对于某类分布式的最大纠缠态,理论上能够达到最优测量精度,即海森堡极限。

量子计算和量子模拟研究获重要突破:中国科大在71个格点的超冷原子量子模拟器中成功求解施温格方程

中国科学技术大学潘建伟、苑震生等与德国海德堡大学、意大利特伦托(Trento)大学的合作者在超冷原子量子计算和模拟研究中取得重要突破:他们开发了一种专用的量子计算机---71个格点的超冷原子光晶格量子模拟器,对量子电动力学方程施温格模型(Schwinger Model)进行了成功模拟,通过操控束缚在其中的超冷原子,从实验上观测到了局域规范不变量,首次使用微观量子调控手段在量子多体系统中验证了描述电荷与电场关系的高斯定理,取得了利用规模化量子计算和量子模拟方法求解复杂物理问题的重要突破。北京时间11月19日,国际著名学术期刊《自然》杂志发表了该研究成果。

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