研究进展

我国在超冷原子量子计算与量子模拟领域取得重要进展 ——中国科大在超冷原子光晶格中实现大规模高保真度量子纠缠对的同步制备

　中国科学技术大学潘建伟、苑震生等在超冷原子量子计算和模拟研究中取得重要进展。他们在理论上提出并实验实现原子深度冷却新机制的基础上，在光晶格中首次实现了1250对原子高保真度纠缠态的同步制备，为基于超冷原子光晶格的规模化量子计算与模拟奠定了基础。北京时间6月19日，国际著名学术期刊《科学》杂志以“First Release”形式在线发布了该研究成果。

    基于量子力学的基本原理，量子计算和模拟被认为是后摩尔时代推动高速信息处理的颠覆性技术，有望解决诸如高温超导机制模拟、密码破解等重大科学和技术问题。量子纠缠是量子计算的核心资源，量子计算的能力将随纠缠比特数目的增长呈指数增长。因而，大规模纠缠态的制备、测量和相干操控是该研究领域的核心问题。实现大规模纠缠态的通常途径是，先同步制备大量纠缠粒子对，然后通过量子逻辑门操作将其连接形成多粒子纠缠。因此，高品质纠缠粒子对的同步制备是实现大规模纠缠态的首要条件。十几年来，已有很多实验在光子、囚禁离子、中性原子等系统中演示了操控多个量子比特进行信息处理的可行性。但是，以往的工作中，受限于纠缠对的品质和量子逻辑门的操控精度，目前人们所能制备的最大纠缠态距离实用化的量子计算和模拟所需的纠缠比特数和保真度还有很大差距。

“墨子号”实现基于纠缠的无中继千公里量子保密通信

中国科学技术大学潘建伟及其同事彭承志、印娟等组成的研究团队，联合牛津大学Artur Ekert、中科院上海技术物理研究所王建宇团队、微小卫星创新研究院、光电技术研究所等相关团队，利用“墨子号”量子科学实验卫星在国际上首次实现千公里级基于纠缠的量子密钥分发。该实验成果不仅将以往地面无中继量子保密通信的空间距离提高了一个数量级，并且通过物理原理确保了即使在卫星被他方控制的极端情况下依然能实现安全的量子通信，取得了量子通信现实应用的重要突破。6月15日，研究团队在国际著名学术期刊《自然》杂志上在线发表了题为“基于纠缠的千公里级安全量子加密（Entanglement-based secure quantum cryptography over 1,120 kilometres）”的研究论文。《自然》杂志为此专门发布了题为“基于卫星的远距离安全通信（Quantum physics: Long-range satellite-based secure communications）”的新闻稿（Press release）加以推介。

中国科大利用“墨子号”量子科学实验卫星实现安全时间传递

中国科学技术大学潘建伟及其同事彭承志、徐飞虎等利用“墨子号”量子科学实验卫星，在国际上首次实现量子安全时间传递的原理性实验验证，为未来构建安全的卫星导航系统奠定了基础。该成果于2020年5月11日在线发表在国际学术知名期刊《自然·物理》上。

高精度时间传递是日常生活中导航、定位等应用的核心技术。现阶段广泛采用的时间传递技术主要包括卫星导航定位系统时间传递、光纤网络时间传递等方案。近年来，时间传递的安全性得到了广泛关注。各种网络系统，例如计算机网络、金融交易市场、电力能源网络等，都需要统一的时间基准。如果这些系统遭受到恶意攻击，其引起的时间错误将会引起网络崩溃、导航定位错误等重大安全性事故。然而，当前广泛使用的时间传递技术面临着数据篡改、信号欺骗等各种攻击的潜在风险。

量子通信技术为安全时间传递带来了新的解决方案。基于量子不可克隆原理，以单光子量子态为载体的时间传递技术可以从根本上保证信号传输过程的安全性。潘建伟团队首次提出了基于双向自由空间量子密钥分发技术的量子安全时间同步方案。在该方案中，单光子量子态同时作为时间传递和密钥分发的信号载体，进行时间同步和密钥生成。这个过程所生成的密钥用来加密经典时间数据，从而确保时间数据的安全传输。

中国科大成功实现500公里地基量子密钥分发

近日，中国科学技术大学潘建伟、张强、陈腾云等与清华大学王向斌、马雄峰合作，突破远距离独立激光相位干涉技术，分别实现了500公里量级真实环境光纤的双场量子密钥分发（TF-QKD）和相位匹配量子密钥分发（PM-QKD）。相关研究成果分别于近期发表在国际权威学术期刊《物理评论快报》（并被选为“编辑推荐”文章）和《自然·光子学》上。

“”

中国科大成功实现相距50公里光纤的存储器间的量子纠缠

中国科学技术大学潘建伟、包小辉、张强等与济南量子技术研究院和中科院上海微系统与信息技术研究所合作，在量子中继与量子网络方向取得重大突破。他们通过发展高亮度光与原子纠缠源、低噪高效单光子频率转换技术和远程单光子精密干涉技术，成功地将相距50公里光纤的两个量子存储器纠缠起来，为构建基于量子中继的量子网络奠定了基础。该成果于近日发表在国际权威学术期刊《自然》上。

“”

                                                                     实验方案示意图

中国科大在光量子计算领域取得重要突破：态空间维数提高百亿倍，玻色取样逼近里程碑

中国科学技术大学潘建伟、陆朝阳等与中科院上海微系统与信息技术研究所尤立星以及德国和荷兰的科学家合作，在国际上首次实现了20光子输入6060模式干涉线路的玻色取样量子计算，输出了复杂度相当于48个量子比特的希尔伯特态空间，其维数高达三百七十万亿。这个工作同时在光子数、模式数、计算复杂度和态空间这四个关键指标上都大幅超越之前的国际记录，其中，态空间维数比国际同行之前的光量子计算实验高百亿倍。论文以“编辑推荐”形式近日发表于国际学术权威期刊《物理评论快报》。美国物理学会Physics网站以“玻色取样量子计算逼近里程碑”为题对该工作做了精选报道。

“”

我国科学家利用“墨子号”量子科学实验卫星率先开展引力诱导量子纠缠退相干实验检验

中国科学技术大学潘建伟教授及其同事彭承志、范靖云等与美国加州理工学院、澳大利亚昆士兰大学等单位的人员合作，利用“墨子号”量子科学实验卫星对一类预言引力场导致量子退相干的理论模型进行了实验检验。2019年9月19日，国际权威学术期刊《科学》杂志以“First Release”形式在线发布了该重要研究成果。

中国科大在远距离量子通信领域取得重要进展，验证远距离双场量子密钥分发可行性

近日，中国科学技术大学教授潘建伟及其同事张强、刘洋与清华大学王向斌、中科院上海微系统所尤立星等人合作，在发展快速高稳定性激光频率锁定技术与高计数率低噪声单光子探测器的基础上，在300公里真实环境的光纤中实现了双场量子密钥分发实验。相关研究成果于9月5日（北京时间）在线发表在国际权威学术期刊《物理评论快报》杂志上（Phys. Rev. Lett. 123, 100505 (2019)）。这项成果不仅完整实现了300公里的双场量子密钥分发，也验证了700公里以上光纤远距离量子密钥分发的可行性，有望成为新一代远距离城际量子密钥分发的基础。

“”

                                                       “发送-不发送”双场QKD示意图

中国科大首次实现天文尺度的量子干涉

中国科学技术大学潘建伟、陆朝阳等和浙江大学王大伟、美国普林斯顿大学Marlan Scully、德国维尔兹堡大学Sven Hofling、美国路易斯安那州立大学Jonathan Dowling、上海纽约大学Tim Byrnes合作，在国际上首次实验观察到量子点单光子和太阳光之间的双光子干涉、量子纠缠以及非定域性。该研究工作把独立光子之间的量子干涉实验扩展到相距1.5亿公里的两个独立光源，首次在天文学尺度上检验了量子统计原理的普适性，并给出了热光场量子化的直接实验证据。这一研究成果近日以“编辑推荐”的形式发表于国际权威学术期刊《物理评论快报》。

“”

中国科大在量子网络中的非定域性研究中取得重要进展

近日，中国科学技术大学潘建伟、张强、范靖云等与中国科学院上海微系统与信息技术研究所、上海交通大学等单位的科研人员合作，在国际上首次在关闭定域性、测量独立性以及纠缠源独立性等漏洞的基础上，实验实现了对量子网络中的二元隐变量理论的实验检验，为量子网络中量子非定域性的实验研究以及应用开辟了新的道路。相关成果于北京时间8月27日凌晨在线发表在国际权威学术期刊《自然•光子学》上。