量子前沿

首次实验验证三维量子霍尔效应

中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家研究中心国际功能材料量子设计中心（ICQD）和物理系教授乔振华与南方科技大学教授张立源、新加坡、美国等科学家合作，在碲化锆（ZrTe5）块体单晶体材料中首次观测到三维量子霍尔效应的明确证据，并指出该效应可能是由于磁场下相互作用产生的电荷密度波诱导的。研究论文发表于Nature。这一工作终于将经历了30余年等待的三维量子霍尔效应这一预言展现于世人面前。在这个效应中，由于维度的不同，现象背后的微观物理机制也展现其新颖与诱人的方面。该发现有望为未来的凝聚态物理的发展注入新的活力。

图1

图2来源于中国科学技术大学国际功能材料量子设计中心网站

量子拓扑相变理论研究进展

清华大学物理系张广铭课题组在量子拓扑相变理论方面取得进展，揭示了二维量子拓扑物态的基本模型（Toric Code）在电磁对偶路径上的新颖量子拓扑相变和临界行为，部分地回答了物理学中一个悬而未决的重要难题，并提供了完全解决该问题的新思路。研究论文发表于Physical Review Letters。研究团队从量子波函数的角度来探讨可能的量子拓扑相变的机制。借助于张量网络态的表示理论，构造了一个可调控的量子多体波函数，并发现可映射到一个二维严格可解的经典统计模型（Ashkin-Teller模型）。借助于经典模型的严格解，发现Kitaev的Toric Code量子拓扑态严格对应经典统计模型的“部分有序态”。

超导量子计算研究进展

中国科学技术大学潘建伟院士与朱晓波、陆朝阳、彭承志等实现了国际上最大规模超导量子比特纠缠态12比特“簇态”的制备。研究论文发表于Physical Review Letters。通过设计和加工高品质的12比特一维链超导比特芯片，并且采用并行逻辑门操作方式避免比特间的串扰，以及热循环操作去除不需要的二能级系统对于比特性能的影响，制备并验证了12个超导比特的真纠缠，保真度达到70%，打破了2017年由中国科大、浙江大学、中科院物理研究所联合研究组创造的10个超导量子比特纠缠的记录。这也是目前固态量子系统中规模最大的多体纠缠态，可为下一步实现大规模随机线路采样和可扩展单向量子计算奠定基础。

双金属量子阱层中共振隧穿研究进展

中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心磁学国家重点实验室M02课题组韩秀峰研究员与国内外科学家合作，实现了磁性隧道结双金属量子阱层中的共振隧穿，为进一步发展基于共振隧穿效应的新型自旋电子学器件奠定了重要的实验基础。研究论文发表于Nano Letters。磁性隧道结中的量子阱共振隧穿效应由于其重要的科学与应用价值而被广泛关注和研究。在半导体领域，多量子阱之间的共振隧穿已经被证实和应用，例如共振隧穿二极管、多量子阱的发光二极管等。科学家制备出了三势垒隧道结，证明了在三势垒隧道结中可以形成双量子阱态，提炼出实现双量子阱中的共振隧穿必须满足的3个条件。

诺特定理与去禁闭量子临界点

中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心博士后马女森、加州大学圣地亚哥分校助理教授尤亦庄和物理所研究员孟子杨组成的研究团队，首次提出了应用诺特定理寻找去禁闭量子临界点涌现连续对称性的研究方法。研究论文发表于Physical Review Letters。诺特定理告诉人们，物理系统中存在的连续对称性都有对应的守恒律，最为人熟知的便是时空平移对称性对应的能量和动量守恒律，守恒律又对应着系统中某一守恒流，可以是能量流、动量流、电流、粒子流等。反过来，如果可以观测到物理系统存在某一守恒流，也就可以证明此系统具有该守恒流对应的连续对称性。

易面（easy-plane）JQ模型和该系统的去禁闭量子相变（图片来源于中国科学院物理研究所网站）

量子蒙特卡洛模拟得到的守恒流结果。x轴为1/L ，即外推到系统线性尺度无穷大的热力学极限；y轴为关联函数幂律的重整化修正指数eta，修正指数在热力学极限下外推到零，就说明此处的关联函数是守恒流算符的关联函数，没有重整化修正。（图片来源于中国科学院物理研究所网站）

通过单光子动力学直接观测拓扑性质

上海交通大学金贤敏团队与山西大学激光光谱研究所贾锁堂教授、梅锋教授以及南京大学物理学院朱诗亮教授合作，通过光子晶格体态中单光子动力学过程直接观察结构的拓扑数以及拓扑相变。研究论文发表于Physical Review Letters。拓扑不变量刻画了拓扑晶体的拓扑性质，在凝聚态体系中可以通过测量电导得到。但是在光学体系中没有霍尔电导相对应的物理量，因此在拓扑光子晶体中直接测量拓扑不变量便成了一个棘手的问题。研究团队发现通过光子在光子晶体中的体态动力学演化过程可以得到拓扑不变量，并利用单光子动力学过程观察到光子晶体的不同拓扑能带之间的拓扑相变过程。

单自旋量子调控研究进展

中国科学技术大学教授杜江峰院士领导的中科院微观磁共振重点实验室研究团队建立了在量子系统中实现基于非厄米哈密顿量的量子调控普适理论，并通过对金刚石量子比特的高精度量子操控，首次在单自旋体系中观测到宇称时间对称性破缺。研究成果发表于Science。新的研究方法对非厄米哈密顿量本身没有任何限制，包括任何维度及含时演化，均只需要消耗一个辅助比特的代价来实现。基于此，科学家将金刚石中的一个氮—空位缺陷中的电子自旋用作系统比特，一个核自旋作为辅助比特，实现了宇称时间对称哈密顿量，并观测到宇称时间对称性破缺现象。实验结果展示了单自旋量子态在宇称时间对称哈密顿量支配下的演化。

基于量子限域超流体的有序组装反应过程

中国科学院理化技术研究所江雷院士和张锡奇等人联名发表了题为“1D Nanoconfined Ordered-Assembly Reaction”的综述文章。文章发表于Advanced Materials Interfaces。文章概述了一维纳米限域化学反应的发展现状，包括有机合成、聚合反应，以及金属表面的纳米限域预组装反应。论述了生物纳米通道和人工纳米通道中物质的超快输运现象，介绍了“量子限域超流体”概念，将纳米通道内的物质超快输运现象解释为焓驱动的限域有序流体。受生物DNA合成的程序化组装反应启发，通过结合量子限域超流体概念和前线分子轨道理论，提出了“有序组装反应”的新概念，用于理解纳米限域作用增强反应性能的本质机理。