首次實驗驗證三維量子霍爾效應(yīng)

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家研究中心國際功能材料量子設(shè)計中心（ICQD）和物理系教授喬振華與南方科技大學(xué)教授張立源、新加坡、美國等科學(xué)家合作，在碲化鋯（ZrTe5）塊體單晶體材料中首次觀測到三維量子霍爾效應(yīng)的明確證據(jù)，并指出該效應(yīng)可能是由于磁場下相互作用產(chǎn)生的電荷密度波誘導(dǎo)的。研究論文發(fā)表于Nature。這一工作終于將經(jīng)歷了30余年等待的三維量子霍爾效應(yīng)這一預(yù)言展現(xiàn)于世人面前。在這個效應(yīng)中，由于維度的不同，現(xiàn)象背后的微觀物理機(jī)制也展現(xiàn)其新穎與誘人的方面。該發(fā)現(xiàn)有望為未來的凝聚態(tài)物理的發(fā)展注入新的活力。

圖1

圖2來源于中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)國際功能材料量子設(shè)計中心網(wǎng)站

量子拓?fù)湎嘧兝碚撗芯窟M(jìn)展

清華大學(xué)物理系張廣銘課題組在量子拓?fù)湎嘧兝碚摲矫嫒〉眠M(jìn)展，揭示了二維量子拓?fù)湮飸B(tài)的基本模型（Toric Code）在電磁對偶路徑上的新穎量子拓?fù)湎嘧兒团R界行為，部分地回答了物理學(xué)中一個懸而未決的重要難題，并提供了完全解決該問題的新思路。研究論文發(fā)表于Physical Review Letters。研究團(tuán)隊從量子波函數(shù)的角度來探討可能的量子拓?fù)湎嘧兊臋C(jī)制。借助于張量網(wǎng)絡(luò)態(tài)的表示理論，構(gòu)造了一個可調(diào)控的量子多體波函數(shù)，并發(fā)現(xiàn)可映射到一個二維嚴(yán)格可解的經(jīng)典統(tǒng)計模型（Ashkin-Teller模型）。借助于經(jīng)典模型的嚴(yán)格解，發(fā)現(xiàn)Kitaev的Toric Code量子拓?fù)鋺B(tài)嚴(yán)格對應(yīng)經(jīng)典統(tǒng)計模型的“部分有序態(tài)”。

超導(dǎo)量子計算研究進(jìn)展

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉院士與朱曉波、陸朝陽、彭承志等實現(xiàn)了國際上最大規(guī)模超導(dǎo)量子比特糾纏態(tài)12比特“簇態(tài)”的制備。研究論文發(fā)表于Physical Review Letters。通過設(shè)計和加工高品質(zhì)的12比特一維鏈超導(dǎo)比特芯片，并且采用并行邏輯門操作方式避免比特間的串?dāng)_，以及熱循環(huán)操作去除不需要的二能級系統(tǒng)對于比特性能的影響，制備并驗證了12個超導(dǎo)比特的真糾纏，保真度達(dá)到70%，打破了2017年由中國科大、浙江大學(xué)、中科院物理研究所聯(lián)合研究組創(chuàng)造的10個超導(dǎo)量子比特糾纏的記錄。這也是目前固態(tài)量子系統(tǒng)中規(guī)模最大的多體糾纏態(tài)，可為下一步實現(xiàn)大規(guī)模隨機(jī)線路采樣和可擴(kuò)展單向量子計算奠定基礎(chǔ)。

雙金屬量子阱層中共振隧穿研究進(jìn)展

中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心磁學(xué)國家重點實驗室M02課題組韓秀峰研究員與國內(nèi)外科學(xué)家合作，實現(xiàn)了磁性隧道結(jié)雙金屬量子阱層中的共振隧穿，為進(jìn)一步發(fā)展基于共振隧穿效應(yīng)的新型自旋電子學(xué)器件奠定了重要的實驗基礎(chǔ)。研究論文發(fā)表于Nano Letters。磁性隧道結(jié)中的量子阱共振隧穿效應(yīng)由于其重要的科學(xué)與應(yīng)用價值而被廣泛關(guān)注和研究。在半導(dǎo)體領(lǐng)域，多量子阱之間的共振隧穿已經(jīng)被證實和應(yīng)用，例如共振隧穿二極管、多量子阱的發(fā)光二極管等?？茖W(xué)家制備出了三勢壘隧道結(jié)，證明了在三勢壘隧道結(jié)中可以形成雙量子阱態(tài)，提煉出實現(xiàn)雙量子阱中的共振隧穿必須滿足的3個條件。

諾特定理與去禁閉量子臨界點

中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心博士后馬女森、加州大學(xué)圣地亞哥分校助理教授尤亦莊和物理所研究員孟子楊組成的研究團(tuán)隊，首次提出了應(yīng)用諾特定理尋找去禁閉量子臨界點涌現(xiàn)連續(xù)對稱性的研究方法。研究論文發(fā)表于Physical Review Letters。諾特定理告訴人們，物理系統(tǒng)中存在的連續(xù)對稱性都有對應(yīng)的守恒律，最為人熟知的便是時空平移對稱性對應(yīng)的能量和動量守恒律，守恒律又對應(yīng)著系統(tǒng)中某一守恒流，可以是能量流、動量流、電流、粒子流等。反過來，如果可以觀測到物理系統(tǒng)存在某一守恒流，也就可以證明此系統(tǒng)具有該守恒流對應(yīng)的連續(xù)對稱性。

易面（easy-plane）JQ模型和該系統(tǒng)的去禁閉量子相變（圖片來源于中國科學(xué)院物理研究所網(wǎng)站）

量子蒙特卡洛模擬得到的守恒流結(jié)果。x軸為1/L ，即外推到系統(tǒng)線性尺度無窮大的熱力學(xué)極限；y軸為關(guān)聯(lián)函數(shù)冪律的重整化修正指數(shù)eta，修正指數(shù)在熱力學(xué)極限下外推到零，就說明此處的關(guān)聯(lián)函數(shù)是守恒流算符的關(guān)聯(lián)函數(shù)，沒有重整化修正。（圖片來源于中國科學(xué)院物理研究所網(wǎng)站）

通過單光子動力學(xué)直接觀測拓?fù)湫再|(zhì)

上海交通大學(xué)金賢敏團(tuán)隊與山西大學(xué)激光光譜研究所賈鎖堂教授、梅鋒教授以及南京大學(xué)物理學(xué)院朱詩亮教授合作，通過光子晶格體態(tài)中單光子動力學(xué)過程直接觀察結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋽?shù)以及拓?fù)湎嘧?。研究論文發(fā)表于Physical Review Letters。拓?fù)洳蛔兞靠坍嬃送負(fù)渚w的拓?fù)湫再|(zhì)，在凝聚態(tài)體系中可以通過測量電導(dǎo)得到。但是在光學(xué)體系中沒有霍爾電導(dǎo)相對應(yīng)的物理量，因此在拓?fù)涔庾泳w中直接測量拓?fù)洳蛔兞勘愠闪艘粋€棘手的問題。研究團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)通過光子在光子晶體中的體態(tài)動力學(xué)演化過程可以得到拓?fù)洳蛔兞?，并利用單光子動力學(xué)過程觀察到光子晶體的不同拓?fù)淠軒еg的拓?fù)湎嘧冞^程。

單自旋量子調(diào)控研究進(jìn)展

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授杜江峰院士領(lǐng)導(dǎo)的中科院微觀磁共振重點實驗室研究團(tuán)隊建立了在量子系統(tǒng)中實現(xiàn)基于非厄米哈密頓量的量子調(diào)控普適理論，并通過對金剛石量子比特的高精度量子操控，首次在單自旋體系中觀測到宇稱時間對稱性破缺。研究成果發(fā)表于Science。新的研究方法對非厄米哈密頓量本身沒有任何限制，包括任何維度及含時演化，均只需要消耗一個輔助比特的代價來實現(xiàn)。基于此，科學(xué)家將金剛石中的一個氮—空位缺陷中的電子自旋用作系統(tǒng)比特，一個核自旋作為輔助比特，實現(xiàn)了宇稱時間對稱哈密頓量，并觀測到宇稱時間對稱性破缺現(xiàn)象。實驗結(jié)果展示了單自旋量子態(tài)在宇稱時間對稱哈密頓量支配下的演化。

基于量子限域超流體的有序組裝反應(yīng)過程

中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所江雷院士和張錫奇等人聯(lián)名發(fā)表了題為“1D Nanoconfined Ordered-Assembly Reaction”的綜述文章。文章發(fā)表于Advanced Materials Interfaces。文章概述了一維納米限域化學(xué)反應(yīng)的發(fā)展現(xiàn)狀，包括有機(jī)合成、聚合反應(yīng)，以及金屬表面的納米限域預(yù)組裝反應(yīng)。論述了生物納米通道和人工納米通道中物質(zhì)的超快輸運(yùn)現(xiàn)象，介紹了“量子限域超流體”概念，將納米通道內(nèi)的物質(zhì)超快輸運(yùn)現(xiàn)象解釋為焓驅(qū)動的限域有序流體。受生物DNA合成的程序化組裝反應(yīng)啟發(fā)，通過結(jié)合量子限域超流體概念和前線分子軌道理論，提出了“有序組裝反應(yīng)”的新概念，用于理解納米限域作用增強(qiáng)反應(yīng)性能的本質(zhì)機(jī)理。