中国科学技术大学物理学院2010年十大科技进展 [2016-07-09]

1． 量子关联与纠缠动力学的实验取得重大进展
　　（主要完成人：许金时、郭光灿等）

　　在量子信息科学发展的初期，人们认识到纠缠是量子信息技术优越性的关键所在。然而随着近几年的深入研究，人们发现了一个更普遍的概念—关联，它反映了量子态各部分之间的相互联系。关联可分为经典关联和量子关联，而纠缠只是量子关联中特殊的一类。
　　中国科学技术大学物理学院许金时和郭光灿等人首次发现了一类初态，其量子关联能在很大范围的消相干环境中不被破坏，可称之为量子关联无消相干子空间，并发现这类初始态在环境中存在从经典消相干突然跃迁到量子消相干这一奇异现象。同时，该小组还验证了量子关联与经典关联在消相干演化过程中的突变现象。并证实，某些特殊的初始态在演化过程中量子关联可以大于经典关联，推翻了以前文献中经典关联一定大于等于量子关联的猜想。这项成果将极大地推动量子关联的物理学研究及其应用研究，尤其是量子关联无消相干子空间和关联演化中的突变现象，更是值得深入探索的重要科学问题。
　　该研究成果发表在《Nature-Communication》（Vol.1,No.1: 7-13(APR 2010)）上，该杂志编辑在推荐该文章发表在创刊号的来信中写到“……我们将能够在创刊号上发表此文章，这将是量子信息行业的一个重要里程碑……”该论文发表不久，已经他引12次。其中L. Mazzola等人发表在《物理评论快报》的文中称赞该小组的实验结果“将为量子理论的一个最基本和令人着迷的方向带来曙光”。

图1 量子关联与纠缠动力学实验装置图

2. 量子计算关键器件及方案的实验演示
　　（主要完成人：潘建伟实验组）

　　猫态的概念，来自量子力学的奠基人之一薛定谔在1935年提出的一个著名的佯谬，即箱子里面的一只猫不是死的也不是活的，而是同时处于死和活的状态。尽管这种薛定谔猫态在宏观世界是不存在的，然而在微观世界里科学家们可以用光子或者原子来制造这样一种猫态。量子纠缠是量子物理世界里面特有的奇异现象。这不仅是量子力学的基础，同时也是量子信息处理中的核心技术。研究发现，多粒子纠缠是研制具有超级计算能力的量子计算机的必备条件，因此，在很大程度上，一个国家多体纠缠操纵的发展水平就代表了其驾驭量子计算的能力。
　　2010年6月，中国科学技术大学物理学院潘建伟领导的研究组成功地制备出超纠缠十比特薛定谔猫态，再次刷新了纠缠态制备的世界记录。该项研究成果将发表在《自然•物理》上[Nature Physics 6, 331]。审稿人评价该工作是一个实验壮举（“This really is an experimental tour de force”），在光学量子计算和量子度量学方面有着重要的意义（“The results have important implications for optical approaches to quantum computing and optical quantum metrology”）。
　　量子物理与量子信息实验室结合多光子操纵和超纠缠的技术，实现了由五个光子极化状态和空间状态相干叠加形成的十量子比特薛定谔猫态，并在此基础上演示了基于纠缠的相位超精细分辨。这一成果表明，我国在多粒子纠缠研究领域再次成功超越美国、德国和奥地利等发达国家，继续保持了国际领先水平。这一工作已经引起了国际学术界的广泛关注。论文还未发表之际，欧洲物理学会注意到论文在网上的预印本，以“光子薛定谔猫建立新记录”为题在其新闻网站具体报道了这一工作，称赞该工作是“发展实用性量子计算机的重要突破”。

图2 十比特薛定谔猫态实验结果

3. 量子模拟的实验取得重要进展
　　（主要完成人：杜江峰和彭新华等实验小组）

1) 量子模拟计算氢分子基态能量
　　在量子化学中，常常由于经典计算机在存储空间、计算速度等方面的局限，量子化学的计算工作非常困难，诸多问题无法解决。2005年哈佛大学的研究人员Aspuru-Guzik等人在Science上发表文章，成功地提出了基于量子计算机的具有多项式复杂度的计算量子化学属性的算法。但是该量子相位估计算法测量相位部分比较复杂，限于量子控制技术的发展，一直没有实验可以验证。中国科学技术大学物理学院杜江峰领导的研究组改进了Aspuru-Guzik的方法，利用干涉仪技术，在核磁共振量子计算平台上实现了量子化学的模拟计算，模拟了氢气分子体系，从而计算出了氢气分子的基态能量。从实验上实现了氢分子基态能级的量子模拟，通过多次迭代，将计算精度推进到了45位有效数字，完全满足了化学计算的需要。该成果被《物理评论快报》选为亮点文章在2010年1月23日发表（Phys. Rev. Lett. 104, 030502 (2010)）

图3-1 实验过程和实验结果

2) 利用几何相探测基态量子相变的实验模拟
　　几何相是量子物理领域里相当重要的物理量，尤其在凝聚态物理，很多物理现象都源自于几何相。由于几何相不与系统的具体动力学的动力学路径有关，因而它具有优越的抗干扰性，成为量子信息领域里一道独特的风景线。最近的理论研究表明，几何相可以揭露量子系统的能级结构特征，从而可以作为量子相变的序参量，有效标度量子相变的发生。这使得在量子相变系统中实验观测几何相变的尤为重要。
　　中国科学技术大学物理学院杜江峰研究组第一次在实验上证实了几何相能够刻画量子系统能级结构，观测了XY模型基态几何相，并成功揭示了该模型的能级特征。实验上，该小组采用绝热演化的方法制备了系统的基态，从而克服了基态制备的困难；对于几何相的观察，则利用量子干涉仪的方法，添加一个辅助量子比特来获取相位信息，从而成功观测了几何相。另外，XY模型因为其精确可解的性质，被广泛用来研究量子相变。文章对XY模型的几何相的实验研究将给该领域带来重要的启示和激励。
　　该工作已发表于《物理评论快报》上（Phys. Rev. Lett. 105, 240405 (2010)）。该杂志的审稿人对此评价甚高：“我相信，提供对自旋系统的几何相和基态突发改变的理论预测的关系的第一次实验演示， 对于发表（在Physical Review Letters）是足够重要了。课题很有趣，实验很有说服力和可信度，这个原理性实验实现可能激发（科学家）对于扩展和提高已有的方案的兴趣。”

图3-2 产生几何相的参数空间和实验结果

4．库伦屏蔽作用下的原子分子过程研究
　　（主要完成人：张松斌、陈向军等）

　　近代物理系原子分子物理学科点博士研究生张松斌与中国工程物理研究院北京应用物理和计算数学研究所的王建国研究员以及马其顿Academy of Sciences and Arts的R. K. Janev教授等合作，运用R-matrix方法，系统研究了库伦屏蔽对电子碰撞、正电子碰撞以及光脱附等原子分子过程的影响，并在Phys. Rev. Lett.、Phys. Rev. A和Chin. Phys. Lett.上发表了一系列文章。他们发现，在电子与氢原子近阈碰撞过程中，随着库伦屏蔽强度的增加，p型和d型Feshbach共振态会“越过”相应的母态能级位置，转为型势共振态。这种共振态的类型转变，会造成碰撞截面在阈值附近的剧烈变化(Phys. Rev. Lett. 104, 023203, 2010)。该系列工作对高温稠密等离子体的状态研究和诊断有帮助。

图4 库伦屏蔽作用下的原子分子过程研究实验结果

5. 半导体自旋动力学理论研究
　　（主要完成人：吴明卫等）

　　作者在Physics Reports 的综述文章（M.W.Wu, et al. Physics Reports 493, 61 (2010)）中，系统总结了作者近10年来在自旋动力学中建立的自旋动力学Bloch方程方法工作。2010年8月发表后，已被他引18次。

6. 距离16公里的自由空间量子隐形传态的实验实现
　　（我院主要完成人：微尺度物质科学国家实验室潘建伟小组）

　　由中国科学技术大学微尺度物质科学国家实验室和清华大学组成的联合小组，在北京八达岭与河北怀来之间架设了长达16公里的自由空间量子信道，并取得了一系列关键技术突破，成功实现了世界上最远距离的16公里的量子态隐形传输，这个距离是目前世界纪录的20多倍。该实验首次证实了在自由空间进行远距离量子态隐形传输的可行性，向全球化量子通信网络的最终实现迈出了重要一步。英国《自然•光子学》杂志今年6月1日以封面文章发表了这一成果。该工作得到了科技部重大科学研究计划、中科院知识创新工程重大项目、国家自然科学基金项目等资助。
此项研究成果入选为2010年中国十大科技进展新闻。据悉，该项研究成果此前还入选了由科技日报社组织、部分院士和多家中央新闻单位等参与评选的“2010国内十大科技新闻”，以及由科技部基础研究管理中心组织实施的“2010年度中国科学十大进展”。

7.活动星系核中的FeKα线的统计研究
　　（主要完成人：舒新文、王俊贤等）

　　Chandra X射线天文台的高能光栅光谱仪（HETG）是目前唯一能够较好测量活动星系窄铁Kα线线宽的设备。中国科学技术大学物理学院舒新文、王俊贤等人系统地分析了HETG对36个I型活动星系的82次观测，着重于研究窄铁Kα线的统计特征。他们发现绝大部分的窄铁Kα线辐射线心能量与6.4keV一致，应起源于中性气体。样本的铁线线宽与等值宽度的平均值为2060 ± 230 km s-1以及53 ± 3 eV。铁Kα线线宽与光学Hβ线宽无相关性。他们指出窄铁Kα线的Baldwin效应在平均多次观测后显著变弱。文章发表在国际期刊The Astrophysical Journal Supplement。

图5 HETG观测的活动星系窄铁线线心能量分布

8. 相互作用拓扑绝缘体的拓扑序
　　（主要完成人：王忠、完绍龙等）

　　拓扑绝缘体是一大类新的物质相，在实际应用和基础理论方面都具有巨大潜力，是国际上关心的前沿热点研究领域。完绍龙研究小组在以下三方面做出了一系列重要工作：
1. 对无相互作用的三维拓扑绝缘体，证明了拓扑场论的描述和拓扑能带理论的描述是等价的。
2. 对有相互和无序的拓扑绝缘体，提出了用格林函数定义的Wess-Zumino-Witten形式的拓扑不变量，对应于拓扑场论中出现的量子化系数。显示了拓扑绝缘体与高能物理的联系。
3. 建立了三维拓扑超导体的拓扑场论描述，并研究了物理响应。

9. 一维Ge-Si纳米线上自旋-轨道耦合的强调制效应
　　（主要完成人：郝晓杰、涂涛、郭国平，郭光灿等）

　　半导体芯片是现代信息社会的核心和关键，随着摩尔定律的发展，芯片上晶体管的集成度越来越高，而每个晶体管的尺寸越来越小，由于器件尺度减小而带来的量子效应也越来越显著。因此开发纳米尺度上的量子器件，将诞生出后摩尔时代新一代的芯片技术。
　　传统的晶体管，利用电流导通为数据1，电流截止为数据0，可以实现信息处理。中国科学技术大学物理学院郭光灿研究组利用四族半导体材料Ge/Si纳米线制成纳米尺度的新型电子器件，并发现该器件中有很强的自旋－轨道耦合效应。利用该效应，可以实现用电极操控电子自旋从向上变成向下，对应于数据从1变成0，因而为将来的量子信息处理器奠定坚实基础和开辟全新思路。

图6 半导体材料Ge/Si纳米线制成纳米尺度的新型电子器件

10. 热电纳米线及其阵列的调制生长和物性研究
　　（主要完成人：章根强、李晓光等）

　　热电材料具有将热能与电能直接相互转换的本领，基于该类材料的器件可有效地回收利用热能，被视为能够有效缓解能源危机的有效手段之一。然而，目前热电材料领域的关键问题仍是如何提高材料的热电优值，实现其推广应用。过去的理论实验研究表明，低维材料体系，特别是一维纳米结构材料的热电性能可能得到显著的提高。然而，目前热电纳米材料的合成方法仍不完善，导致了部分异质结纳米线和单晶纳米管等至今仍难以获得。章根强、李晓光等人针对热电纳米材料合成和物性开展了一系列研究，获得了具有优异热电性能的一维纳米结构材料。
　　他们利用氧化铝模板法，详细研究了电化学沉积BixTe1-x纳米线阵列成份与结构控制条件。利用脉冲电化学模板法成功生长了具有调制周期的Bi2Te3/Sb超晶格纳米线阵列。基于乙二醇溶剂的简单液相外延方法，合成热电材料体系Te/Bi和Te/Bi2Te3核壳异质结纳米线。热电性能研究表明，Te/Bi核壳异质结纳米线块材复合物的热导率和Seebeck系数都得到了大幅改善，有助于材料热电性能的优化。将纳米尺度的Kirkendall效应引入了基于乙二醇为溶剂的简单液相方法当中，合成了Bi2Te3纳米管结构。Bi2Te3纳米管块材复合物的Seebeck系数和热导率都得到了大幅度的优化，表明了一维空心纳米热电材料具有的优异热电性能。