物理学

物理学

超冷原子光晶格量子计算

中国科学技术大学微尺度物质科学国家实验室潘建伟院士及其同事苑震生、陈宇翱等次实现了对光晶格中超冷原子自旋比特纠缠态的产生、操控和探测，相关结果发表在《自然-物理学》杂志上。基于量子力学的基本原理，量子信息处理技术被认为是后摩尔时代推动高速信息处理的颠覆性技术。其中最关键的问题是如何产生和测控大量量子比特的纠缠态，并进一步开展容错的量子计算。该研究向基于超冷原子的可扩展量子计算和量子模拟迈出了重要一步。由中科大主导研制的世界首颗量子科学实验卫星“墨子号”已于酒泉卫星发射中心用长征二号丁运载火箭成功发射升空。“墨子号”成功发射和在轨运行，将助力于我国广域量子通信网络的构建，服务于国家信息安全，开展对量子力学基本问题的空间尺度实验检验。

实验参数校准

试验装置

世界上最快的量子随机数发生器

中国科学技术大学潘建伟、张军等和英国牛津大学的同事合作，实验实现了68 Gbps的高速量子随机数发生器，为未来超高速量子密码系统的量子随机数需求提供了可行的解决方案，相关论文发表于《科学仪器评论》。随机数发生器是用来产生随机数序列的一种器件，真随机数通常基于物理系统并具备不可预测性、不可重复性和无偏性等特征。量子随机数发生器是基于量子物理原理或量子效应而产生真随机数的系统，在实用化量子密码系统等对随机性质量和安全性要求较高的领域中具有重要的应用。比特率是量子随机数发生器最重要的指标。通过最小熵模型确定原始数据中量子随机数的比例下限并提纯后，最终输出的量子随机数提高了一个数量级。

石墨烯外延生长原子尺度的机理

中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家实验室李震宇教授研究组与同行合作，在石墨烯外延生长原子尺度的机理研究方面取得进展，相关研究成果发表于《物理评论快报》。利用化学气相沉积法在铜衬底上外延生长石墨烯是目前广泛采用的一种生长大面积、高质量单层石墨烯的方法。揭示石墨烯外延生长的原子尺度机理，对实现石墨烯非平衡生长的精确控制十分关键。研究首次揭示出在不同铜衬底上碳-碳二聚体是石墨烯生长的主要碳供给单元，解释了不同铜衬底上石墨烯生长中由不同的关键原子动力学过程所决定的微观机理，并预测了铜表面石墨烯不同生长形态（分维型或密集型）间相变的转变温度。

二维固体熔化

中国科学技术大学徐宁教授研究团队在二维固体熔化研究中取得了新的进展，相关成果发表于《物理评论快报》。二维软芯胶体固体的熔化存在可重入熔化特性。最大熔化温度所对应的临界密度是一个分水岭，低于临界密度时，六角相-液体相变呈现出一级相变特性，六角相和液相会共存，该共存区随着靠近临界密度而缩小，并在临界密度处消失；高于临界密度时，六角相-液体相变始终是连续的。因此，最大熔化温度是六角相-液体相变由不连续到连续的转变点。非连续六角相-液体相变的起因目前还没有理论解释，该工作表明，密度是影响二维软芯胶体体系六角相-液体相变本质的重要因素，非连续相变的出现并不依赖于系统，而可能依赖于距离刚性粒子极限的远近。

利用量子模拟技术实现拓扑数的直接测量

中国科学技术大学杜江峰院士课题组和耶鲁大学蒋良教授合作，利用金刚石中自旋作为量子模拟器，在国际上首次直接测量了拓扑数，研究成果以“编辑推荐”的形式发表于《物理评论快报》。扑数可以用来表征一种特殊的相变——拓扑相变，这种相变无法用朗道对称性破缺理论解释。自量子霍尔效应发现以来，许多拓扑相被理论预测和实验验证。研究通过耦合多个氮-空位点缺陷可以构建可扩展量子模拟器，通过精确调控各个自旋可以模拟更为复杂的拓扑体系，也可以用来研究其他有趣的量子系统。相比于建造通用量子计算机，量子模拟器有望率先进入实用阶段。对于一些复杂的材料体系，实验制备存在技术挑战，经典计算机又无能为力，这时利用量子模拟器研究便具有十分重要的意义。

相图与几何图示

实验模拟与本征值检测

半导体超快量子控制非逻辑单元

中国科学技术大学中科院量子信息重点实验室固态量子芯片组郭国平教授、肖明教授等实现了半导体量子点体系的两个电荷量子比特的控制非逻辑门，相关成果近日发表于《自然-通讯》。现代计算机的核心部件为全电控的半导体芯片CPU。开发与之兼容的半导体全电控量子芯片是量子计算机研制的重要方向之一。有单比特逻辑单元和两比特控制非逻辑单元应该就可以实现任意量子计算过程，电荷编码单比特和两比特的量子逻辑门的完成，表明电荷量子比特虽然相干时间比自旋量子比特短两个量级左右，却具有快两个量级以上的逻辑门运算速度，并且具有易于全电操控、可集成化、兼容传统半导体工艺技术等优点。

高容错率量子密码

中国科学技术大学潘建伟、张强等和清华大学马雄峰合作，实验演示了高容错率量子密钥分发，他们在50公里的光纤链路上，误码率达29%的条件下仍然获得了安全密钥，相关结果发表于《物理评论快报》。量子密钥分发从原理上保证了通信的绝对安全性。在量子密钥分发协议的安全性分析中，通常认为错误来自于信道噪声和窃听两个方面。当误码率超过一定界限，通信将不再安全。研究提出了一种易于实验实现的高容错率量子密钥分发协议，即被动循环差分相位量子密钥分发协议，该协议容许误码率高达50%。在此基础上利用自主研发的上转换探测器，实验实现了50公里距离，29%误码率条件下安全密钥分发。这套系统在大量背景噪声的安全通信里将有直接的应用。

利用弱引力透镜峰值统计方法限制修改引力理论

北京大学物理学院天文系宇宙学研究团组刘项琨等对CFHTLenS弱引力透镜观测数据进行了详尽的分析，利用弱引力峰值统计方法对”Hu-Sawicki f（R） 修改引力理论”给出了严格的限制，明确证实了利用弱引力透镜峰值统计方法区分不同引力理论的可行性，相关成果发表于《物理评论快报》。大量的观测证据表明，我们的宇宙正处在加速膨胀的状态，这需要在广义相对论的框架下，引入未知的具有“负压”性质的 “暗能量”成分；或者在宇宙尺度上修改引力理论。二者均会极大地影响我们对宇宙的认知。在合适的模型以及参数空间下，上述两类理论均可解释宇宙加速膨胀。然而，它们将会预言不同的结构形成与演化过程。因此，大尺度结构的观测对于人们理解宇宙加速膨胀的本质、加深对基本物理和宇宙的认识。