再發Science！中國科學技術大學潘建偉等在量子力學領域再取突破

截至2022年7月15日，中國科學技術大學潘建偉團隊在Nature 及Science 共計發表了22項重要研究成果，在量子光學、量子信息和量子力學等領域取得重大進展。iNature系統總結潘建偉團隊自2019年在Nature 及Science 發表的14篇文章：

【1】規範理論構成了現代物理學的基礎，其應用範圍從基本粒子物理學和早期宇宙學到凝聚態系統。2022年7月14日，中國科學技術大學潘建偉、苑震生等與德國海德堡大學、奧地利因斯布魯克大學、意大利特倫託大學的相關研究人員合作在Science在線發表題爲“Thermalization dynamics of a gauge theory on a quantum simulator”的研究論文，該研究使用超冷原子量子模擬器，對格點規範場理論中非平衡態過渡到平衡態的熱化動力學進行了模擬，首次在實驗上證實了規範對稱性約束下量子多體熱化導致的初態信息“丟失”，取得了利用量子模擬方法求解複雜物理問題的重要進展。

【2】2021年4月16日，中科大潘建偉、陳帥和北京大學劉雄軍共同通訊在Science 在線發表題爲“Realization of an ideal Weyl semimetal band in a quantum gas with 3D spin-orbit coupling”的研究論文，該研究通過對超冷原子進行3D自旋軌道耦合工程實現的IWSM波段的實驗。通過平衡狀態下的虛擬切片成像技術可以清楚地測量拓撲Weyl點，並在淬滅動力學中進一步解析。IWSM波段的實現爲研究固體中難以接近的各種奇異現象開闢了一條途徑。

【3】2021年1月6日，中國科學技術大學潘建偉，彭承志及陳宇翱共同通訊在Nature 在線發表題爲”An integrated space-to-ground quantum communication network over 4,600 kilometres“的研究論文，該研究演示了一個集成的空對地量子通信網絡，該網絡結合了包含700多個光纖QKD鏈路和兩個高速衛星對地面自由空間QKD鏈路的大規模光纖網絡。使用可靠的中繼結構，地面上的光纖網絡覆蓋了2,000多公里，爲實際設備的缺陷提供了實用的安全性，並保持了長期的可靠性和穩定性。對於典型的衛星通行證，衛星對地面QKD可以實現平均47.8 kb / s的平均密鑰速率，比以前的速率高40倍以上。此外，其信道損耗可與對地靜止衛星和地面之間的信道損耗相比，從而使通過地球同步衛星構建更通用和超長的量子鏈路成爲可能。最後，通過集成光纖和自由空間QKD鏈路，QKD網絡擴展到了2600公里以外的遠程節點，使網絡中的任何用戶都可以與其他任何用戶進行通信，總距離可達4600公里。

【4】2021年5月6日，中國科學技術大學潘建偉及朱曉波共同通訊在Science 在線發表題爲“Quantum walks on a programmable two-dimensional 62-qubit superconducting processor”的研究論文，該研究設計和製造了一個由62個功能性量子位組成的8x8二維方形超導量子位陣列。 該研究使用此設備演示了高保真單粒子和兩個粒子的量子步態。此外，由於量子處理器的高度可編程性，該研究實現了一個Mach-Zehnder干涉儀，其中量子步進器在干涉和射出之前相干地沿兩條路徑運動。通過調整進化路徑上的障礙，該研究觀察到了單行和雙行的干擾條紋。該研究的工作是該領域的重要里程碑，使未來的大規模量子應用更接近在這些嘈雜的中型量子處理器上實現。

【5】2020年12月4日，中國科學技術大學潘建偉、陸朝陽等組成的研究團隊與中科院上海微系統所、國家並行計算機工程技術研究中心合作在Science 在線發表題爲“Quantum computational advantage using photons”的研究論文，該研究構建了76個光子的量子計算原型機“九章”，實現了具有實用前景的“高斯玻色取樣”任務的快速求解。根據現有理論，該量子計算系統處理高斯玻色取樣的速度比目前最快的超級計算機快一百萬億倍（“九章”一分鐘完成的任務，超級計算機需要一億年）。等效地，其速度比去年穀歌發佈的53個超導比特量子計算原型機“懸鈴木”快一百億倍。這一成果使得我國成功達到了量子計算研究的第一個里程碑：量子計算的優越性（國外也稱之爲“量子霸權”）。

【6】2020年11月18日，中國科學技術大學潘建偉，苑震生及卡爾斯大學Philipp Hauke共同在通訊在Nature 在線發表題爲“Observation of gauge invariance in a 71-site Bose–Hubbard quantum simulator”的研究論文，該研究開發了一種專用的量子計算機---71個格點的超冷原子光晶格量子模擬器，對量子電動力學方程施溫格模型（Schwinger Model）進行了成功模擬，通過操控束縛在其中的超冷原子，從實驗上觀測到了局域規範不變量，首次使用微觀量子調控手段在量子多體系統中驗證了描述電荷與電場關係的高斯定理，取得了利用規模化量子計算和量子模擬方法求解複雜物理問題的重要突破。

【7】2020年6月18日，中國科學技術大學潘建偉及苑震生共同通訊在Science 在線發表題爲"Cooling and entangling ultracold atoms in optical lattices"的研究論文，該研究在理論上提出並實驗實現原子深度冷卻新機制的基礎上，在光晶格中首次實現了1250對原子高保真度糾纏態的同步製備，爲基於超冷原子光晶格的規模化量子計算與模擬奠定了基礎。

【8】2020年6月15日，中國科學技術大學潘建偉及彭承志共同通訊在Nature 在線發表題爲“Entanglement-based secure quantum cryptography over 1,120 kilometres”的研究論文，該研究展示了兩個相距1,120 km的地面站之間基於糾纏的QKD。與先前的工作相比，該研究將雙光子分佈的鏈路效率提高了約4倍，並獲得了0.12比特/秒的有限密鑰-秘密密鑰速率。因此，該研究工作爲基於糾纏的全球量子網絡鋪平了道路。總體而言，結果使地面上實際QKD的安全距離從100 km增加到超過1000 km，而無需信任的中繼站，這代表了朝着任意長距離遠程用戶真正可靠且牢不可破的加密方法邁出的重要一步。

【9】2020年2月12日，中國科學技術大學潘建偉、包小輝及張強共同通訊在Nature 在線發表題爲“Entanglement of two quantum memories via fibres over dozens of kilometres”的研究論文，該研究在量子中繼與量子網絡方向取得重大突破。該研究通過發展高亮度光與原子糾纏源、低噪高效單光子頻率轉換技術和遠程單光子精密干涉技術，成功地將相距50公里光纖的兩個量子存儲器糾纏起來，爲構建基於量子中繼的量子網絡奠定了基礎。

【10】2019年9月19日，中國科學技術大學潘建偉，彭承志及Fan Jingyun共同通訊在Science 在線發表題爲“Satellite testing of a gravitationally induced quantum decoherence model”的研究論文，該研究報告了量子場事件形式的量子光學實驗測試，該理論試圖在包含閉合時間曲線和普通時空的外來時空中呈現量子場的連貫描述。 該研究利用“墨子號”量子科學實驗衛星對一類預言引力場導致量子退相干的理論模型進行了實驗檢驗；

【11】2019年5月2日，中國科學技術大學潘建偉，範桁及朱曉波等人在Science在線發表題爲“Strongly correlated quantum walks with a 12-qubit superconducting processor”的研究論文，該研究使用超導量子比特作爲具有高保真操作和斷層掃描讀數的人工原子，在12比特的超導處理器上研究了一個和兩個強相關微波光子的連續時間量子行走。有趣的是，該研究觀察到基本量子效應，包括疊加態量子信息的光錐傳播，特別是量子比特對之間的糾纏，以及時間演化相關的奇異行爲，表示光子反聚束與有吸引力的相互作用。該研究製備出12個超導比特的量子多體糾纏態，不但刷新世界紀錄，併爲進一步研究多體動力學現象和通用量子計算奠定了基礎；

【12】2019年1月18日，中國科學技術大學潘建偉，趙博等人在在Science上發表了題爲“Observation of magnetically tunable Feshbach resonances inultracold23Na40K+40K collisions”的研究論文，該研究表明在超低溫下觀察到的原子 - 分子Feshbach共振以極高的分辨率探測三體勢能面有助於提高對超冷碰撞的理解；

【13】2022年2月3日，中國科學技術大學潘建偉，姚星燦及陳宇翱共同通訊在Science 在線發表題爲”Second sound attenuation near quantum criticality“的研究論文，該研究報告了通過在長波長極限下執行具有高能量分辨率的布拉格光譜，在單一的 6Li 原子的均勻費米氣體中觀察到二次聲衰減。該研究成功地獲得了二次聲擴散率 D2 和熱導率 κ 的溫度依賴性。此外，該研究觀察到在約 0.95 超流體轉變溫度 Tc 的溫度下， D2 和 κ 的突然上升——臨界發散的前兆。 這表明單一費米氣體的臨界區比液氦大得多。 該研究結果爲確定接近量子臨界的通用臨界標度函數鋪平了道路。

【14】2022年2月9日，中國科學技術大學潘建偉，趙博及中國科學院化學研究所白春禮共同通訊在Nature 在線發表題爲“Evidence for the association of triatomic molecules in ultracold 23Na40K + 40K mixtures”的研究論文，該研究報告了在旋轉振動基態的 23Na40K 分子和 40K 原子之間的 Feshbach 共振附近三原子分子關聯的證據。該研究應用射頻脈衝來驅動 23Na40K 和 40K 的超冷混合物中的自由結合躍遷，並監測 23Na40K 分子的損失。三原子分子的結合表現爲射頻光譜中的附加損失特徵，可以與原子損失特徵區分開來。觀察到締合特徵和原子躍遷之間的距離隨磁場的變化而變化，爲三原子分子的形成提供了有力的證據。三原子分子的結合能從測量中估計。該研究工作有助於理解複雜的超冷原子-分子 Feshbach 共振，並可能爲製備和控制超冷三原子分子開闢一條途徑。

規範場理論是現代物理學的基礎，如描述基本粒子相互作用的量子電動力學、標準模型等都是滿足特定羣對稱性的規範場理論。隨着半個多世紀的發展，它在粒子物理學、宇宙學以及凝聚態物理學等領域獲得了廣泛應用。由於其求解複雜度高，規範場理論體系中仍然有很多開放問題。其中，規範場理論描述的物理系統是否可以從遠離平衡態經過演化達到熱平衡就是一個備受關注並極具挑戰的問題。這一問題的解決，有助於人們理解高能物理中重核碰撞的問題，也將爲現代宇宙學中大爆炸早期物質的形成提供物理解釋。但是，使用經典計算機求解複雜的規範場理論是一個公認的難題，量子模擬器爲解決這一問題提供了新的路徑。

近年來，人們嘗試用離子阱、超冷原子氣體、Rydberg原子陣列和超導量子比特等體系對格點規範場理論開展量子模擬研究。然而，由於格點規範線理論中相互作用形式複雜，並要求物理系統始終處在局域規範對稱性約束條件下，這對格點規範場理論熱化動力學的實驗模擬造成了困難，因而還未在實驗上實現。

爲了解決以往的量子模擬器中相干調控的粒子數太少和無法保證規範對稱性約束的兩個主要問題，中國科大的研究團隊開發了獨特的自旋依賴超晶格、顯微鏡吸收成像、粒子數分辨探測等量子調控和測量技術，在超冷原子量子模擬器中提出並實現了光晶格中原子的深度製冷，解決了量子模擬器溫度過高缺陷過多的問題，實驗製備了近百個原子級別的規模化量子模擬器 [Science 369, 550 (2020)]；首次實現了利用大規模量子模擬器對格點規範場理論量子相變過程的實驗模擬，驗證了過程中的規範不變性[Nature 587, 392 (2020)]。

規範理論動力學的受控方法（圖源自Science ）

在以上研究的基礎上，通過實驗和理論結合，該團隊將系統製備到遠離平衡的初態，首次實驗研究了規範對稱性約束對量子多體系統熱化動力學的影響，並且觀測到具有相同守恆量的不同初態熱化到同一個平衡態的過程，驗證了熱化過程造成的量子多體系統初態信息的“丟失”，建立了規範場理論早期非平衡動力學與最終熱平衡態之間的聯繫，在使用規模化的量子模擬器求解複雜物理問題的道路上取得了重要進展。

在上述工作的基礎上，該團隊將進一步使用量子模擬的方法研究具有其他羣對稱性的、更高空間維度的規範場理論模型，研究真空衰變、動態拓撲量子相變等物理難題。

Science 雜誌審稿人對此給予高度評價，認爲該研究“爲超冷原子模擬格點規範場理論這一領域的發展做出了重要貢獻”、“代表了量子模擬研究領域的前沿。”

該研究工作得到了科技部、國家自然科學基金委、中科院、教育部和安徽省等的支持。

注：該文章解析參考自中國科學技術大學官網介紹。

解析鏈接：

http://news.ustc.edu.cn/info/1055/79824.htm

參考消息：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.abl6277