物理学院2015年度十大科研进展 [2016-01-27]

　　2016年1月25日，中国科学技术大学物理学院举行了2015年终总结教授大会。与会教授从44项候选成果中，采用无记名投票方式评选出了中国科学技术大学物理学院2015年度十大科研进展和物理学院2015年度十大科研进展提名。这些成果包含了一年来物理学院在量子信息、量子计算、等离子体物理、粒子物理、凝聚态物理、天体物理等领域取得的突出成就。此次评选活动旨在促进全院学术和科研工作交流。具体成果如下：

量子信息实验研究取得重大突破——
中国科大首次实现多自由度量子体系隐形传态

　　我院近代物理系潘建伟院士及其同事陆朝阳、刘乃乐教授研究组在国际上首次成功实现多自由度量子体系的隐形传态。2015年2月26日，国际权威学术期刊《自然》杂志以封面标题的形式发表了这一最新研究成果。这是自1997年国际上首次实现单一自由度量子隐形传态以来，科学家们经过18年努力在量子信息实验研究领域取得的又一重大突破，为发展可扩展的量子计算和量子网络技术奠定了坚实的基础。

对单光子自旋和轨道角动量的量子隐形传态过程的图片展示：
具有轨道角动量的光子以螺旋线向前传输；光子携带的自旋角动量由箭头表示

　　量子隐形传态在概念上非常类似于科幻小说中的“星际旅行”，可以利用量子纠缠把量子态传输到遥远地点，而无需传输载体本身。量子隐形传态作为量子信息处理的基本单元，在量子通信和量子计算网络中发挥着至关重要的作用。1997年，国际上首次报道了单一自由度量子隐形传态的实验验证，该工作随后与伦琴发现X射线、爱因斯坦建立相对论、沃森和克里克发现DNA双螺旋结构等影响世界的重大科技成果一起入选了《自然》杂志“百年物理学21篇经典论文”。
　　此后，作为国际学术界量子信息实验领域的重要研究热点，量子隐形传态又先后在包括如冷原子、离子阱、超导、量子点和金刚石色芯等诸多物理系统中得以实现。然而，以往所有的实验实现都存在着一个根本的局限，即只能传输单个自由度的量子状态，而真正的量子物理体系自然地拥有多种自由度的性质，即使是一个最简单的基本粒子，如单光子，它的性质也包括波长、动量、自旋和轨道角动量等等。多自由度的量子隐形传态作为发展可拓展量子计算和量子网络技术的必经途径，成为近二十年来量子信息基础研究领域的一个巨大挑战。
　　在中科院、教育部、科技部和基金委等有关科教主管部门的大力支持下，潘建伟小组面对挑战，选取单光子自旋和轨道角动量作为研究对象，创造性地发展了多项新颖的多粒子多自由度的纠缠操纵技术，巧妙地设计了利用单光子非破坏测量技术实现自旋和轨道角动量多自由度贝尔态测量的新方案。经过多年艰苦努力，研究人员成功制备了国际上最高亮度的自旋-轨道角动量超纠缠源、高效率的轨道角动量测量器件，突破了以往国际上只能操纵两光子轨道角动量的局限，搭建了6光子11量子比特的自旋-轨道角动量纠缠实验平台，成功实现了多自由度量子体系的隐形传态。

欧洲物理学会Physicsworld 头条报道截图

　　该实验成果得到了《自然》杂志审稿人的高度评价，他们一致称赞该工作“绝对新颖、重要，处于当前量子光学和量子信息领域的最前沿，可以认为是一个伟大的成就”、“在1997年单个自由度量子隐形传态实验实现的18年之后，这个工作从基本概念上将量子隐形传态提升到了一个新的水平”、“非常有趣，意义重大，且具有极其苛刻的技术难度”。由于该成果的重要性，《自然》杂志专门邀请国际知名量子光学专家Wolfgang Tittel教授在同期的“新闻视角”（News and Views）栏目撰文评论：“该实验实现为理解和展示量子物理的一个最深远和最令人费解的预言迈出了重要的一步，并可以作为未来量子网络的一个强大的基本单元”。该论文发表后，第一时间受到了美国《科学新闻》（Science News）和欧洲物理学会新闻网站Physics World等多家国际媒体的报道，称“该工作不仅为提升量子力学基础问题的理解迈进了关键一步，也将在未来量子计算机的研制中扮演重要角色”。

　　Xi-Lin Wang, Xin-Dong Cai,Zu-En Su,Ming-Cheng Chen,Dian Wu,Li Li,Nai-Le Liu, Chao-Yang Lu & Jian-Wei Pan, Quantum teleportation of multiple degrees of freedom of a single photon,
Nature 518, 516–519 (2015)
http://www.nature.com/nature/journal/v518/n7540/full/nature14246.html

“钻石钥匙”开启单分子磁共振研究之门——
中国科大首次在室温大气环境下探测到单个蛋白质分子磁共振谱

　　我院近代物理系杜江峰院士领衔的研究团队将量子技术应用于单个蛋白分子研究，在室温大气条件下获得了世界上首张单蛋白质分子的磁共振谱。该成果于2015年3月6日发表在《科学》上[Science 347, 1135 (2015)]。同期《科学》“展望”栏目专文报道评价“此工作是通往活体细胞中单蛋白质分子实时成像的里程碑”。
　　该研究不仅将磁共振技术的研究对象从数十亿个分子推进到单个分子，并且“室温大气”这一宽松的实验环境为该技术未来在生命科学等领域的广泛应用提供了必要条件，使得高分辨率的纳米磁共振成像及诊断成为可能。该技术有望帮助人们从单分子的更深层次来探索生命和物质科学的机理，对于物理、生物、化学、材料等多个学科领域具有深远的意义。
　　磁共振技术能够准确、快速和无破坏地获取物质的组成和结构信息，已被广泛应用于基础研究和医学等各大领域。然而当前通用的磁共振谱仪受制于探测方式，其研究对象通常为数十亿个分子，成像分辨率仅为毫米量级，无法观测到单个分子的独特信息。此前的研究显示，基于钻石的新型磁共振技术则能将研究对象推进到单分子，成像分辨率提升至纳米级。但实现这一目标面临诸多挑战，主要是单分子信号太弱难以探测。

钻石探针实现对单蛋白质分子信号的检测，绿色光束为激发激光，红色光束为可探测荧光信号。

　　杜江峰院士研究团队利用钻石中的氮-空位点缺陷作为量子探针（以下简称“钻石探针”），选取了细胞分裂中的一种重要蛋白为探测对象。首先将蛋白从细胞中分离并将标记物（氮氧自由基）固定在蛋白的特定位置，然后将此蛋白分子放置到钻石表面，此时标记物距离“钻石探针”约10纳米，会产生仅相当于地磁场十六分之一的极微弱的磁信号。“钻石探针”具有感知极弱磁信号的能力，在激光和微波操控下，它形成一个量子传感器，将单分子信号转化为光学信号而加以检测。经过两年多的努力，最终他们成功地在室温大气条件下首次获取了单个蛋白质分子的磁共振谱，并通过对比不同磁场下的多组磁共振谱的特征，获取了此蛋白质分子的动力学性质。
　　《科学》杂志将该工作选为当期亮点并配以专文报道，盛赞其“实现了一个崇高的目标”， “能够有效克服以往测蛋白分子结构时需要提纯和长成单晶的困难，并且能够实现对单蛋白分子在细胞内的原位检测……，是通往活体细胞中单蛋白质分子实时成像的里程碑”。　 
　　以此为基础，和扫描探针、高梯度磁场等技术结合，未来可将该技术应用于生命及材料领域的单分子成像、结构解析、动力学监测，甚至直接深入细胞内部进行微观磁共振研究。
　　此外，杜江峰院士研究团队以单自旋精密测量技术，利用金刚石中的固态电子自旋，世界上首次实现了室温大气下纳米级分辨率的微波场磁场分量矢量重构测量。该工作以“High-resolution vector microwave magnetometry based on solid-state spins in diamond”为题发表在国际重要学术期刊《自然·通讯》杂志上。该实验为室温大气下高精度的微波近场测量方法提供了一个新的实验手段。
　　Fazhan Shi, Qi Zhang, Pengfei Wang, Hongbin Sun, Jiarong Wang, Xing Rong, Ming Chen, Chenyong Ju, Friedemann Reinhard, Hongwei Chen, Jörg Wrachtrup, Junfeng Wang, and Jiangfeng Du
Science 347, 1135 (2015).
　　DOI: 10.1126/science.aaa2253
　　Pengfei Wang, Zhenheng Yuan, Pu Huang, Xing Rong, Mengqi Wang, Xiangkun Xu, Changkui Duan, Chenyong Ju, Fazhan Shi, and Jiangfeng Du,
Nature Communications 6, 6631 (2015).
　　DOI:10.1038/ncomms7631

大型磁约束聚变装置“科大一环”建成运行

　　科大反场箍缩磁约束聚变实验装置（Keda Torus eXperiment，KTX，中文简称“科大一环”）是我国完全自行设计、自主研制集成的国际先进反场箍缩装置。KTX装置是在科技部国家磁约束核聚变能发展研究专项“反场箍缩磁约束聚变位形研究”项目支持下，以环形磁约束等离子体三维物理研究为科学目标、以发展先进等离子体控制技术为工程目标，由中国科学技术大学物理学院承担，中国科学院等离子体物理所及合肥科烨电物理设备制造有限公司通力合作建设的磁约束聚变实验装置，是多途径磁约束聚变位形及先进等离子体控制技术探　索研究的重要平台。
　　KTX装置设计各项指标均达国际先进水平。反场箍缩是有别于托卡马克、仿星器位形的另一类环形磁约束聚变装置，是先进磁约束聚变位形探索研究的重要平台。KTX装置单次放电所需储能可达25兆焦耳，产生等离子体电流可达1兆安培，等离子体温度达800万度。
　　KTX装置体现了国际先进反场箍缩设计理念。KTX装置借助反场箍缩位形等离子体自组织活跃，三维等离子体效应显著的优势，兼收已有的两种国际主流控制技术：电流剖面控制以及边界主动反馈控制，并结合KTX装置独特的三维局域涡流诊断，便于开展环形等离子体三维诊断与实验研究，从而充分发展三维等离子体控制技术。KTX装置采用真空室双C 开合可进性设计，为装置的先进锂壁运行提供了必备的实验条件。KTX装置是研究三维环形磁约束等离子体物理以及先进控制技术的理想实验平台。
　　随着KTX装置于2015年8月15日一次性顺利获得第一等离子体，验证了KTX装置包括主机、电源、诊断、采集与控制在内的各个系统运行正常，达到了预期的设计要求。
　　自KTX装置调试运行成功以来短短的三个月时间里，包括普林斯顿等离子体物理国家实验室主任Stewart Prager教授、ITER副总干事Rem Haange、美国最大反场箍缩装置MST负责人John Sarff教授、欧姆最大反场箍缩装置RFX-mod负责人Maria Ester Puiatti教授等三十余位国际磁约束聚变专家访问KTX装置，并给予了高度评价。
　　KTX装置的建成，将为国内外从事等离子体物理研究的科研人员提供一个全新的大型实验平台，对我国磁约束聚变领域高端人才培养，发展磁约束聚变能科学技术研究事业具有重要意义。

科大反场箍缩磁约束聚变实验装置

首次实现虚磁场中“李-杨零点”探测

　　我院近代物理系杜江峰院士、彭新华教授等和香港中文大学刘仁保的理论研究组合作，在国际上首次成功实现探测虚磁场中“李-杨零点”实验。该研究成果于2015年1月5日发表在《物理评论快报》上，并得到了该期刊Physics栏目的专文报道。
1952年，李政道和杨振宁证明了Ising铁磁模型在复数域内存在可以使系统配方函数为零的点（即李-杨零点）。通过李-杨零点，我们可以获得系统各种热力学性质，如熵、配分函数、自由能等，对于多体系统的相变研究有重要意义。由于这些零点存在于虚磁场条件下，李-杨零点一直以来被认为仅仅存在于理论中，实验上直接探测是非常困难的。
　　不久前，香港中文大学刘仁保教授研究组的理论研究表明，如果引入一个与系统耦合的探测比特，则该探测比特量子相干在时间域上的零点和该系统的李-杨零点存在一一对应的关系，说明李-杨零点实验上的直接观测是可能的。
该合作研究团队利用亚磷酸三甲酯的分子，其中的磷核自旋作为探测比特，9个氢核自旋模拟Ising铁磁系统，通过核磁共振方法，首先将磷核自旋制备到自旋向上和向下的量子叠加态，然后观测其量子相干随时间的演化，首次在实验上直接观测到该系统的李-杨零点，并通过这些零点研究了系统的自由能和相变现象。
　　专家称，这是虚磁场中李-杨零点在真实实验中的第一次直接观测，不仅在统计物理中极为重要，同时对研究复杂实际体系中隐藏在物理参数复数域内新的物理现象提供了一种新的方法和实验实现的可能性。
　　使用核磁共振量子操控技术，杜江峰组还实验实现了一类手写识别的人工智能量子算法，成果也发表在《物理评论快报》上。

　　Xinhua Peng, Hui Zhou, Bo-Bo Wei, Jiangyu Cui, Jiangfeng Du, and Ren-Bao Liu, Experimental Observation of Lee-Yang Zeros
Physical Review Letters 114, 010601 (2015).

　　Zhaokai Li, Xiaomei Liu, Nanyang Xu, and Jiangfeng Du, Experimental realization of a quantum support vector machine
Physical Review Letters 114, 140504 (2015).