研究进展

        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）。

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。

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。

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。

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。

   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。