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。
研究进展
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。
中国科大首次观测到多体配对赝能隙
中国科学技术大学潘建伟、姚星灿、陈宇翱等人基于强相互作用的均匀费米气体，首次观测到了由多体配对产生的赝能隙。这项研究首次确立了配对赝能隙的存在，为高温超导机理中的电子预配对假说提供了支持，朝向理解高温超导机理迈出了重要一步，是利用量子模拟解决重要物理问题的一个范例。2月8日，该成果以“幺正费米气体中赝能隙的观测和量化”为题发表在国际权威学术期刊Nature上。
图1：图中头顶玉珠的两条鲤鱼，象征着一对自旋相反的费米子；龙门代表了超流相变和赝能隙。鲤鱼跃过龙门，表明配对发生在超流相变温度以上。这种配对现象反过来又导致赝能隙的出现。/制图：陈磊
中国科大首次观测到多体配对赝能隙
中国科学技术大学潘建伟、姚星灿、陈宇翱等人基于强相互作用的均匀费米气体，首次观测到了由多体配对产生的赝能隙。这项研究首次确立了配对赝能隙的存在，为高温超导机理中的电子预配对假说提供了支持，朝向理解高温超导机理迈出了重要一步，是利用量子模拟解决重要物理问题的一个范例。2月8日，该成果以“幺正费米气体中赝能隙的观测和量化”为题发表在国际权威学术期刊Nature上。
图1：图中头顶玉珠的两条鲤鱼，象征着一对自旋相反的费米子；龙门代表了超流相变和赝能隙。鲤鱼跃过龙门，表明配对发生在超流相变温度以上。这种配对现象反过来又导致赝能隙的出现。/制图：陈磊
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。
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。
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。
图1.模式匹配量子密钥分发协议示意图