物理學

超冷原子光晶格量子計算

中國科學技術大學微尺度物質(zhì)科學國家實驗室潘建偉院士及其同事苑震生、陳宇翱等次實現(xiàn)了對光晶格中超冷原子自旋比特糾纏態(tài)的產(chǎn)生、操控和探測，相關結果發(fā)表在《自然-物理學》雜志上。基于量子力學的基本原理，量子信息處理技術被認為是后摩爾時代推動高速信息處理的顛覆性技術。其中最關鍵的問題是如何產(chǎn)生和測控大量量子比特的糾纏態(tài)，并進一步開展容錯的量子計算。該研究向基于超冷原子的可擴展量子計算和量子模擬邁出了重要一步。由中科大主導研制的世界首顆量子科學實驗衛(wèi)星“墨子號”已于酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心用長征二號丁運載火箭成功發(fā)射升空?！澳犹枴背晒Πl(fā)射和在軌運行，將助力于我國廣域量子通信網(wǎng)絡的構建，服務于國家信息安全，開展對量子力學基本問題的空間尺度實驗檢驗。

實驗參數(shù)校準

試驗裝置

世界上最快的量子隨機數(shù)發(fā)生器

中國科學技術大學潘建偉、張軍等和英國牛津大學的同事合作，實驗實現(xiàn)了68 Gbps的高速量子隨機數(shù)發(fā)生器，為未來超高速量子密碼系統(tǒng)的量子隨機數(shù)需求提供了可行的解決方案，相關論文發(fā)表于《科學儀器評論》。隨機數(shù)發(fā)生器是用來產(chǎn)生隨機數(shù)序列的一種器件，真隨機數(shù)通常基于物理系統(tǒng)并具備不可預測性、不可重復性和無偏性等特征。量子隨機數(shù)發(fā)生器是基于量子物理原理或量子效應而產(chǎn)生真隨機數(shù)的系統(tǒng)，在實用化量子密碼系統(tǒng)等對隨機性質(zhì)量和安全性要求較高的領域中具有重要的應用。比特率是量子隨機數(shù)發(fā)生器最重要的指標。通過最小熵模型確定原始數(shù)據(jù)中量子隨機數(shù)的比例下限并提純后，最終輸出的量子隨機數(shù)提高了一個數(shù)量級。

石墨烯外延生長原子尺度的機理

中國科學技術大學合肥微尺度物質(zhì)科學國家實驗室李震宇教授研究組與同行合作，在石墨烯外延生長原子尺度的機理研究方面取得進展，相關研究成果發(fā)表于《物理評論快報》。利用化學氣相沉積法在銅襯底上外延生長石墨烯是目前廣泛采用的一種生長大面積、高質(zhì)量單層石墨烯的方法。揭示石墨烯外延生長的原子尺度機理，對實現(xiàn)石墨烯非平衡生長的精確控制十分關鍵。研究首次揭示出在不同銅襯底上碳-碳二聚體是石墨烯生長的主要碳供給單元，解釋了不同銅襯底上石墨烯生長中由不同的關鍵原子動力學過程所決定的微觀機理，并預測了銅表面石墨烯不同生長形態(tài)（分維型或密集型）間相變的轉變溫度。

二維固體熔化

中國科學技術大學徐寧教授研究團隊在二維固體熔化研究中取得了新的進展，相關成果發(fā)表于《物理評論快報》。二維軟芯膠體固體的熔化存在可重入熔化特性。最大熔化溫度所對應的臨界密度是一個分水嶺，低于臨界密度時，六角相-液體相變呈現(xiàn)出一級相變特性，六角相和液相會共存，該共存區(qū)隨著靠近臨界密度而縮小，并在臨界密度處消失；高于臨界密度時，六角相-液體相變始終是連續(xù)的。因此，最大熔化溫度是六角相-液體相變由不連續(xù)到連續(xù)的轉變點。非連續(xù)六角相-液體相變的起因目前還沒有理論解釋，該工作表明，密度是影響二維軟芯膠體體系六角相-液體相變本質(zhì)的重要因素，非連續(xù)相變的出現(xiàn)并不依賴于系統(tǒng)，而可能依賴于距離剛性粒子極限的遠近。

利用量子模擬技術實現(xiàn)拓撲數(shù)的直接測量

中國科學技術大學杜江峰院士課題組和耶魯大學蔣良教授合作，利用金剛石中自旋作為量子模擬器，在國際上首次直接測量了拓撲數(shù)，研究成果以“編輯推薦”的形式發(fā)表于《物理評論快報》。撲數(shù)可以用來表征一種特殊的相變——拓撲相變，這種相變無法用朗道對稱性破缺理論解釋。自量子霍爾效應發(fā)現(xiàn)以來，許多拓撲相被理論預測和實驗驗證。研究通過耦合多個氮-空位點缺陷可以構建可擴展量子模擬器，通過精確調(diào)控各個自旋可以模擬更為復雜的拓撲體系，也可以用來研究其他有趣的量子系統(tǒng)。相比于建造通用量子計算機，量子模擬器有望率先進入實用階段。對于一些復雜的材料體系，實驗制備存在技術挑戰(zhàn)，經(jīng)典計算機又無能為力，這時利用量子模擬器研究便具有十分重要的意義。

相圖與幾何圖示

實驗模擬與本征值檢測

半導體超快量子控制非邏輯單元

中國科學技術大學中科院量子信息重點實驗室固態(tài)量子芯片組郭國平教授、肖明教授等實現(xiàn)了半導體量子點體系的兩個電荷量子比特的控制非邏輯門，相關成果近日發(fā)表于《自然-通訊》?，F(xiàn)代計算機的核心部件為全電控的半導體芯片CPU。開發(fā)與之兼容的半導體全電控量子芯片是量子計算機研制的重要方向之一。有單比特邏輯單元和兩比特控制非邏輯單元應該就可以實現(xiàn)任意量子計算過程，電荷編碼單比特和兩比特的量子邏輯門的完成，表明電荷量子比特雖然相干時間比自旋量子比特短兩個量級左右，卻具有快兩個量級以上的邏輯門運算速度，并且具有易于全電操控、可集成化、兼容傳統(tǒng)半導體工藝技術等優(yōu)點。

高容錯率量子密碼

中國科學技術大學潘建偉、張強等和清華大學馬雄峰合作，實驗演示了高容錯率量子密鑰分發(fā)，他們在50公里的光纖鏈路上，誤碼率達29%的條件下仍然獲得了安全密鑰，相關結果發(fā)表于《物理評論快報》。量子密鑰分發(fā)從原理上保證了通信的絕對安全性。在量子密鑰分發(fā)協(xié)議的安全性分析中，通常認為錯誤來自于信道噪聲和竊聽兩個方面。當誤碼率超過一定界限，通信將不再安全。研究提出了一種易于實驗實現(xiàn)的高容錯率量子密鑰分發(fā)協(xié)議，即被動循環(huán)差分相位量子密鑰分發(fā)協(xié)議，該協(xié)議容許誤碼率高達50%。在此基礎上利用自主研發(fā)的上轉換探測器，實驗實現(xiàn)了50公里距離，29%誤碼率條件下安全密鑰分發(fā)。這套系統(tǒng)在大量背景噪聲的安全通信里將有直接的應用。

利用弱引力透鏡峰值統(tǒng)計方法限制修改引力理論

北京大學物理學院天文系宇宙學研究團組劉項琨等對CFHTLenS弱引力透鏡觀測數(shù)據(jù)進行了詳盡的分析，利用弱引力峰值統(tǒng)計方法對”Hu-Sawicki f（R） 修改引力理論”給出了嚴格的限制，明確證實了利用弱引力透鏡峰值統(tǒng)計方法區(qū)分不同引力理論的可行性，相關成果發(fā)表于《物理評論快報》。大量的觀測證據(jù)表明，我們的宇宙正處在加速膨脹的狀態(tài)，這需要在廣義相對論的框架下，引入未知的具有“負壓”性質(zhì)的 “暗能量”成分；或者在宇宙尺度上修改引力理論。二者均會極大地影響我們對宇宙的認知。在合適的模型以及參數(shù)空間下，上述兩類理論均可解釋宇宙加速膨脹。然而，它們將會預言不同的結構形成與演化過程。因此，大尺度結構的觀測對于人們理解宇宙加速膨脹的本質(zhì)、加深對基本物理和宇宙的認識。