2022年中国科学技术大学迎来首篇Science：潘建伟团队共计发表21篇Nature 及Science

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截至2022年2月5日，中国科学技术大学潘建伟团队在Nature 及Science 共计发表了21项重要研究成果，在量子光学、量子信息和量子力学等领域取得重大进展。iNature系统总结潘建伟团队自2019年在Nature 及Science  发表的12篇文章：

【1】2022年2月3日，中国科学技术大学潘建伟，姚星灿及陈宇翱共同通讯在Science 在线发表题为”Second sound attenuation near quantum criticality“的研究论文，该研究报告了通过在长波长极限下执行具有高能量分辨率的布拉格光谱，在单一的 ⁶Li 原子的均匀费米气体中观察到二次声衰减。该研究成功地获得了二次声扩散率 D2 和热导率 κ 的温度依赖性。此外，该研究观察到在约 0.95 超流体转变温度 Tc 的温度下， D2  和 κ 的突然上升——临界发散的前兆。 这表明单一费米气体的临界区比液氦大得多。 该研究结果为确定接近量子临界的通用临界标度函数铺平了道路。

【2】2021年4月16日，中科大潘建伟、陈帅和北京大学刘雄军共同通讯在Science 在线发表题为“Realization of an ideal Weyl semimetal band in a quantum gas with 3D spin-orbit coupling”的研究论文，该研究通过对超冷原子进行3D自旋轨道耦合工程实现的IWSM波段的实验。通过平衡状态下的虚拟切片成像技术可以清楚地测量拓扑Weyl点，并在淬灭动力学中进一步解析。IWSM波段的实现为研究固体中难以接近的各种奇异现象开辟了一条途径（点击阅读）。

【3】2021年1月6日，中国科学技术大学潘建伟，彭承志及陈宇翱共同通讯在Nature 在线发表题为”An integrated space-to-ground quantum communication network over 4,600 kilometres“的研究论文，该研究演示了一个集成的空对地量子通信网络，该网络结合了包含700多个光纤QKD链路和两个高速卫星对地面自由空间QKD链路的大规模光纤网络。使用可靠的中继结构，地面上的光纤网络覆盖了2,000多公里，为实际设备的缺陷提供了实用的安全性，并保持了长期的可靠性和稳定性。对于典型的卫星通行证，卫星对地面QKD可以实现平均47.8 kb / s的平均密钥速率，比以前的速率高40倍以上。此外，其信道损耗可与对地静止卫星和地面之间的信道损耗相比，从而使通过地球同步卫星构建更通用和超长的量子链路成为可能。最后，通过集成光纤和自由空间QKD链路，QKD网络扩展到了2600公里以外的远程节点，使网络中的任何用户都可以与其他任何用户进行通信，总距离可达4600公里(点击阅读)。

【4】2021年5月6日，中国科学技术大学潘建伟及朱晓波共同通讯在Science 在线发表题为“Quantum walks on a programmable two-dimensional 62-qubit superconducting processor”的研究论文，该研究设计和制造了一个由62个功能性量子位组成的8x8二维方形超导量子位阵列。 该研究使用此设备演示了高保真单粒子和两个粒子的量子步态。此外，由于量子处理器的高度可编程性，该研究实现了一个Mach-Zehnder干涉仪，其中量子步进器在干涉和射出之前相干地沿两条路径运动。通过调整进化路径上的障碍，该研究观察到了单行和双行的干扰条纹。该研究的工作是该领域的重要里程碑，使未来的大规模量子应用更接近在这些嘈杂的中型量子处理器上实现（点击阅读）。

【5】2020年12月4日，中国科学技术大学潘建伟、陆朝阳等组成的研究团队与中科院上海微系统所、国家并行计算机工程技术研究中心合作在Science 在线发表题为“Quantum computational advantage using photons”的研究论文，该研究构建了76个光子的量子计算原型机“九章”，实现了具有实用前景的“高斯玻色取样”任务的快速求解。根据现有理论，该量子计算系统处理高斯玻色取样的速度比目前最快的超级计算机快一百万亿倍（“九章”一分钟完成的任务，超级计算机需要一亿年）。等效地，其速度比去年谷歌发布的53个超导比特量子计算原型机“悬铃木”快一百亿倍。这一成果使得我国成功达到了量子计算研究的第一个里程碑：量子计算优越性（国外也称之为“量子霸权”）（点击阅读）。

【6】2020年11月18日，中国科学技术大学潘建伟，苑震生及卡尔斯大学Philipp Hauke共同通讯在Nature 在线发表题为“Observation of gauge invariance in a 71-site Bose–Hubbard quantum simulator”的研究论文，该研究开发了一种专用的量子计算机---71个格点的超冷原子光晶格量子模拟器，对量子电动力学方程施温格模型（Schwinger Model）进行了成功模拟，通过操控束缚在其中的超冷原子，从实验上观测到了局域规范不变量，首次使用微观量子调控手段在量子多体系统中验证了描述电荷与电场关系的高斯定理，取得了利用规模化量子计算和量子模拟方法求解复杂物理问题的重要突破（点击阅读）。

【7】2020年6月18日，中国科学技术大学潘建伟及苑震生共同通讯在Science 在线发表题为"Cooling and entangling ultracold atoms in optical lattices"的研究论文，该研究在理论上提出并实验实现原子深度冷却新机制的基础上，在光晶格中首次实现了1250对原子高保真度纠缠态的同步制备，为基于超冷原子光晶格的规模化量子计算与模拟奠定了基础（点击阅读）。

【8】2020年6月15日，中国科学技术大学潘建伟及彭承志共同通讯在Nature 在线发表题为“Entanglement-based secure quantum cryptography over 1,120 kilometres”的研究论文，该研究展示了两个相距1,120 km的地面站之间基于纠缠的QKD。与先前的工作相比，该研究将双光子分布的链路效率提高了约4倍，并获得了0.12比特/秒的有限密钥-秘密密钥速率。因此，该研究工作为基于纠缠的全球量子网络铺平了道路。总体而言，结果使地面上实际QKD的安全距离从100 km增加到超过1000 km，而无需信任的中继站，这代表了朝着任意长距离远程用户真正可靠且牢不可破的加密方法迈出的重要一步（点击阅读）。

【9】2020年2月12日，中国科学技术大学潘建伟、包小辉及张强共同通讯在Nature 在线发表题为“Entanglement of two quantum memories via fibres over dozens of kilometres”的研究论文，该研究在量子中继与量子网络方向取得重大突破。该研究通过发展高亮度光与原子纠缠源、低噪高效单光子频率转换技术和远程单光子精密干涉技术，成功地将相距50公里光纤的两个量子存储器纠缠起来，为构建基于量子中继的量子网络奠定了基础（点击阅读）。

【10】2019年9月19日，中国科学技术大学潘建伟，彭承志及Fan Jingyun共同通讯在Science 在线发表题为“Satellite testing of a gravitationally induced quantum decoherence model”的研究论文，该研究报告了量子场事件形式的量子光学实验测试，该理论试图在包含闭合时间曲线和普通时空的外来时空中呈现量子场的连贯描述。 该研究利用“墨子号”量子科学实验卫星对一类预言引力场导致量子退相干的理论模型进行了实验检验（点击阅读）；

【11】2019年5月2日，中国科学技术大学潘建伟，范桁及朱晓波等人在Science在线发表题为“Strongly correlated quantum walks with a 12-qubit superconducting processor”的研究论文，该研究使用超导量子比特作为具有高保真操作和断层扫描读数的人工原子，在12比特的超导处理器上研究了一个和两个强相关微波光子的连续时间量子行走。有趣的是，该研究观察到基本量子效应，包括叠加态量子信息的光锥传播，特别是量子比特对之间的纠缠，以及时间演化相关的奇异行为，表示光子反聚束与有吸引力的相互作用。该研究制备出12个超导比特的量子多体纠缠态，不但刷新世界纪录，并为进一步研究多体动力学现象和通用量子计算奠定了基础（点击阅读）；

【12】2019年1月18日，中国科学技术大学潘建伟，赵博等人在在Science上发表了题为“Observation of magnetically tunable Feshbach resonances inultracold²³Na⁴⁰K+⁴⁰K collisions”的研究论文，该研究表明在超低温下观察到的原子 - 分子Feshbach共振以极高的分辨率探测三体势能面有助于提高对超冷碰撞的理解（点击阅读）；

二次声是由开创性的双流体流体动力学理论预测的熵波，直接耦合到超流体序参数。与一次声（即在超流体转变下方和上方都存在的密度波）相比，二次声仅在超流体相中传播。作为热和动量扩散的宏观表现，二次声衰减的特征在于几个重要的传输系数，例如剪切粘度 η 和热导率 κ。

在液氦中，二次声衰减和相关热传输的测量导致动态标度理论的建立。然而，由于液氦的临界区域狭窄且可控性有限，对临界尺度函数的更深入理解和定量描述仍然难以捉摸。相关问题出现在范围广泛的强相关材料中，例如高温超导体，其中量子临界附近的异常电荷和能量传输尚不清楚。

声波的产生（图源自Science ）

处于强相互作用极限的超冷费米子原子，即单一费米气体 ，为研究二次声衰减和阐明临界现象提供了广阔的前景。首先，由于尺度不变性，单一费米气体的热力学和动力学性质是降低温度 T/TF 的通用函数；其次，由于前所未有的可控性，可以精确探测单一费米气体的临界区域以研究临界输运行为。

在过去的几十年里，人们一直致力于探索单一费米气体中的声音传播和衰减。在高度拉长的谐波陷阱中观察到二次声传播，但由于密度不均匀，衰减仍未确定。最近通过将单一费米气体限制在盒势中来测量一次声衰减，从而消除了不均匀性问题。然而，观察二次声衰减具有挑战性，因为信号太弱而无法从噪声中分辨出来。

在这里，该研究通过开发具有小波数 k 和高能量分辨率的布拉格光谱技术，测量了具有极大费米能量的 ⁶Li 原子的均匀单一费米气体中的二次声衰减。该研究成功地确定了单一费米气体的二次声扩散率和热导率；超流体分数和剪切粘度也以更高的精度获得。

在超流体相中，D2 和 κ 分别达到 ħ/m 和 nℏkB/m 的通用量子值。在超流体转变附近，观察到 D2 和 κ 的突然上升，这与动态标度理论预测的临界发散现象一致。该研究发现了一个以 t≲0.05 为特征的令人惊讶的大量子临界区，其中无量纲温度 t≡1-T/Tc 测量与超流体转变温度 Tc 的接近程度。该研究的测量完成了对强相互作用费米气体耗散二次声流体动力学理论的定量实验检验。此外，观察到的通用输运系数可以深入了解铜酸盐等强相关材料的异常输运，并为多体理论提供基准。 

参考消息：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.abi4480

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