原子与分子物理

1.在量子纠缠操纵及量子物理基础检验实验方面

　　该研究团队在若干关键的多光子操纵量子器件研制方面处于国际领先水平，例如，通过设计稳定的泵浦光聚焦系统、可靠的补偿系统、五维可调的高效率收集系统等关键系统，研究团队研制成功的超高亮度的高品质纠缠源，亮度超过了每秒100万对，收集效率达到25%以上。利用这些先进的量子器件，研究团队在多粒子纠缠的产生、操纵及鉴别等研究方向上处于国际领先地位，取得了诸多具有世界影响的研究成果。首次全面地在实验上用不等式和不用不等式的方式检验了四光子量子非定域性，并首次证实得到的是真正的四粒子纠缠态[Phys. Rev. Lett. 91, 180401 (2003)]。在国际上第一次成功地制备出了高亮度、高对比度的超纠缠光子对源，并以高于95%的保真度检验了研究团队提出的基于两光子的GHZ定理的证明[Phys. Rev. Lett. 95, 240406 (2005)]，首次将量子力学与定域实在论之间的矛盾在两粒子体系中以最显著的方式揭示出来。首次成功地得到了五光子纠缠[Nature 430, 54 (2004)]，被美国物理学会和欧洲物理学会以专题形式报道，被誉为“多粒子纠缠态实验研究上的重大突破，将极大地推动量子纠错和网络化量子信息处理的实验探索”，被欧洲物理学会、美国物理学会、美国《科技研究新闻》杂志、中国两院院士、教育部等分别评为年度十大科技进展。首次实现了六光子纠缠态的操纵[Nature Physics 2, 678 (2006)]，这是中国科学家首篇Nature Physics封面论文，Nature杂志“研究亮点”栏目对该工作进行报道，称赞该成果是“在大尺度量子通信研究中取得的长足进展”。制备了在国际上纠缠粒子数最多的薛定谔猫态和可以用于量子计算的簇态[Nature Physics 3, 91 (2007)]，欧洲物理学会新闻网站以“光子薛定谔猫打破记录”为题报道了这一工作，称赞该工作“为量子计算机的物理实现迈进了重要一步”，Nature杂志在“研究亮点”栏目也以“活猫？还是死猫？”为题做了报道。最近，研究团队又成功制备出超纠缠十比特薛定谔猫态[Nature Physics (2010)]，再次刷新了纠缠态制备的世界记录，Nature Physics杂志的审稿人评价该工作“是一个实验壮举”，“在光学量子计算和量子度量学方面有着重要的意义”。 2010年，研究团队又发展了一种新颖的纠缠源[Nature Photonics (2010)]，同样利用参量下转换过程得到了稳定强健的纠缠光子源，而无需进行破坏性的光子探测，输出保真度达到了87％，从而使得各种相关的量子协议得以可控的实现。Nature Photonics杂志审稿人给出了很高评价，认为该实验结果是“光量子信息处理的一个重大突破”。

2.在量子隐形传态实验方面

　　研究团队在首次实现五光子纠缠的基础上，实现了终端开放的量子隐形传态[Nature 430, 54 (2004)]，为奠定分布式量子信息处理的基础做出了贡献。首次实现了两光子复合系统量子隐形传态[Nature Physics 2, 678 (2006)]。此前，所有的隐形传态实验都只传输单个粒子的量子态，而实现复合系统量子隐形传态在技术上面临着巨大的挑战。实验结果表明，不仅两个光子的量子态能被精确传输，两光子系统中的各种关联关系也能被精确传输。2008年，实验演示了在两地之间进行多重纠缠交换的量子协议[Phys. Rev. Lett. 101, 080403 (2008)]，该实验把一个全功能量子中继器的可能实现推进了一大步，并且为一大批新型复杂的量子协议实现奠定了基础。2009年，成功实现了世界上最远距离(16公里) 的自由空间量子隐形传态[Nature Photonics (2010), accepted]，保真度达到了89％，此实验表明基于自由空间实施量子通信的可行性，并为实现全球量子通信奠定了重要基础。Nature Photonics审稿人给出了很高评价，认为实验结果代表了目前量子通信技术的前瞻性进展。

3.在量子密码方面

　　该研究团队实现了距离达13公里的自由空间量子纠缠和量子密钥分发[Phys. Rev. Lett. 94, 150501 (2005)]，在国际上首次证明纠缠光子在穿透等效于整个大气层厚度的地面大气后，纠缠仍然能够保持，并可应用于高效、安全的量子通信。利用诱骗态手段率先在国际上实现了绝对安全距离超过百公里的量子密钥分发[Phys. Rev. Lett. 98, 010505 (2007)]，克服了以前所有基于弱相干光量子密码实验中所固有的安全性漏洞。2009年，又率先实现绝对安全距离200公里的量子密钥分发，为目前国际上绝对安全量子密钥分发最远距离。首次实现了通信距离20公里的三节点链状实时语音加密量子通信网络[Optics Express 17, 6540 (2009)]，美国Science 杂志和欧洲物理学会的Physics World 对此专门进行了报道。研制成功了五节点星型实时语音加密量子通信网络，这是国际上首个可升级的全通型量子通信网络和首个城际量子通信网络，并通过了中国科学院科技成果鉴定。 在量子计算和量子仿真方面，利用光子比特实现了Shor加密算法，实验演示了15=3×5这一质因子分解[Phys. Rev. Lett. 99, 250504 (2007)]。应用双光子、四量子比特簇态进行了单向量子计算的实验，实现了高效量子Grover搜寻算法和高臵信度两比特量子门[Phys. Rev. Lett. 99, 120503 (2007)]。设计并实验检验了巧妙的多光子“容失”编码网络[PNAS 105, 11050 (2008)]，首次在国际上原理性地证明了利用量子编码技术可以有效克服量子计算过程中的一类严重错误—量子比特的丢失。利用量子信息技术来模拟凝聚态物理学的重要问题，通过操纵多光子纠缠和量子仿真方法，实验证实了一种存在于两维空间的奇特粒子“任意子”服从分数统计[Phys. Rev. Lett. 102, 030502 (2009)]。利用光子的极化模式和动量模式，制备出了六比特超纠缠簇态这一普适的量子计算资源，并通过在簇态上进行单量子比特测量，实现了任意输入的控制非门[Phys. Rev. Lett. 104, 020501 (2010)]。

4.在冷原子量子存储方面

　　在国际上首次实现频率展宽在MHz量级的窄带纠缠光源[Phys. Rev. Lett. 101, 190501 (2008)]，第一次使纠缠光子的存储成为可能。首次实现了光子比特与原子比特间的量子隐形传态[Nature Physics 4, 103 (2008)]，传输到原子比特的量子信息在存储了8微秒后，被成功地转换为光量子态以作进一步的量子信息处理，该实验以封面标题的形式发表在Nature Physics上。首次实现了具有存储和读出功能的纠缠交换[Nature 454, 1098 (2008)]，建立了由300米光纤连接的两个冷原子系综之间的量子纠缠。这种冷原子系综之间的量子纠缠可以被读出并转化为光子纠缠，以进行进一步的传输和量子操作。Nature 杂志发布了题为“量子推动”的新闻稿，称赞该工作“扫除了量子通信中的一大绊脚石”，并在网页上发布了题为“量子密码可以走远了”的报道。首次将单次激发量子存储的寿命延长至毫秒量级[Nature Physics 5, 95 (2009)]，将以前的结果提高了2个数量级，向实现基于量子中继器的远距离量子通信迈出了重要的一步，英国《新科学家》等多家欧美科学新闻媒体都对该成果做了报道。

5.在量子物理和量子信息的理论方面

　　提出了适用于连续变量体系的Bell不等式[Phys. Rev. Lett. 88, 040406 (2002)]，给出了用连续变量量子体系进行分离变量量子信息处理实验研究的理论基础，该工作所提出的方法已被国际学者广泛接受并采用，被称为研究连续变量非定域性的“准自旋方法”，被国际权威同行学者在Reviews of Modern Physics以专门篇幅介绍，国际上已有多个研究小组进行了跟踪研究。证明了GHZ定理可以被推广到两光子情形[Phys. Rev. Lett. 90, 160408 (2003)]，而且其实验验证仅要求线性光学技术，该实验检验已经由本研究团队首次实现。通过二次型的Bell类型的不等式给出了一种对N个量子比特系统的纠缠分类[Phys. Rev. Lett. 90, 080401 (2003)]。首次提出关于判别量子纠缠态的矩阵拉直法及其多体推广[Quantum Inf. & Comp. 3, 193 (2003)]，被国际同行认为是近年来关于此问题研究的重要突破，并被国际权威同行学者在Reviews of Modern Physics以专门篇幅介绍，已成为此领域研究的最重要结果之一。发现了一种构造纠缠目击者的新方法和一类新的可分性判据—O-约化判据[Phys. Rev. Lett. 95, 150504 (2005)]，该判据的判别能力非常强，约化判据、盖判据、重排判据等都是该判据的特例，特别是该判据能够探测束缚纠缠这类非常弱的纠缠，并且是直接以局域可观测量的形式给出的，因此自动提供了利用局域测量和经典通信来实现的方法。提出了一种遥远量子存储器之间鲁棒的纠缠产生机制及基于冷原子系综和线性光学的鲁棒的量子中继器方案[Phys. Rev. Lett. 98, 240502 (2007)]，干涉仪稳定性方面相对于著名的DLCZ方案改进了至少7个数量级，从而使得现实的远距离量子通信的实验研究成为可能，该方案的关键步骤已经被本研究团队实验实现。提出了第一个非阿贝尔的量子纠错码[Phys. Rev. Lett. 101, 090501 (2008)]。