再发Science！中科大常务副校长潘建伟团队累计发表23篇正刊

“TOP大学来了”小编按，7月15日，中国科学技术大学潘建伟、苑震生等与德国海德堡大学、奥地利因斯布鲁克大学、意大利特伦托大学的相关研究人员合作在Science发表文章，他们在超冷原子量子模拟研究中取得重要进展。

他们使用超冷原子量子模拟器，对格点规范场理论中非平衡态过渡到平衡态的热化动力学进行了模拟，首次在实验上证实了规范对称性约束下量子多体热化导致的初态信息“丢失”，取得了利用量子模拟方法求解复杂物理问题的重要进展。

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截至2022年7月15日，中国科学技术大学潘建伟团队在Nature及Science共计发表了22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14篇文章：

【1】规范理论构成了现代物理学的基础，其应用范围从基本粒子物理学和早期宇宙学到凝聚态系统。2022年7月14日，中国科学技术大学潘建伟、苑震生等与德国海德堡大学、奥地利因斯布鲁克大学、意大利特伦托大学的相关研究人员合作在Science在线发表题为“Thermalization dynamics of a gauge theory on a quantum simulator”的研究论文，该研究使用超冷原子量子模拟器，对格点规范场理论中非平衡态过渡到平衡态的热化动力学进行了模拟，首次在实验上证实了规范对称性约束下量子多体热化导致的初态信息“丢失”，取得了利用量子模拟方法求解复杂物理问题的重要进展。

【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（。

【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()。

【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（）。

【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”）（）。

【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（）。

【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（）。

【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（）。

【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（）。【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（【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（）； 【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（）； 【13】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。【14】2022年2月9日，中国科学技术大学潘建伟，赵博及中国科学院化学研究所白春礼共同通讯在Nature在线发表题为“Evidence for the association of triatomic molecules in ultracold 23Na40K + 40K mixtures”的研究论文，该研究报告了在旋转振动基态的 23Na40K 分子和 40K 原子之间的 Feshbach 共振附近三原子分子关联的证据。该研究应用射频脉冲来驱动 23Na40K 和 40K 的超冷混合物中的自由结合跃迁，并监测 23Na40K 分子的损失。三原子分子的结合表现为射频光谱中的附加损失特征，可以与原子损失特征区分开来。观察到缔合特征和原子跃迁之间的距离随磁场的变化而变化，为三原子分子的形成提供了有力的证据。三原子分子的结合能从测量中估计。该研究工作有助于理解复杂的超冷原子-分子 Feshbach 共振，并可能为制备和控制超冷三原子分子开辟一条途径。

规范场理论是现代物理学的基础，如描述基本粒子相互作用的量子电动力学、标准模型等都是满足特定群对称性的规范场理论。随着半个多世纪的发展，它在粒子物理学、宇宙学以及凝聚态物理学等领域获得了广泛应用。由于其求解复杂度高，规范场理论体系中仍然有很多开放问题。其中，规范场理论描述的物理系统是否可以从远离平衡态经过演化达到热平衡就是一个备受关注并极具挑战的问题。这一问题的解决，有助于人们理解高能物理中重核碰撞的问题，也将为现代宇宙学中大爆炸早期物质的形成提供物理解释。但是，使用经典计算机求解复杂的规范场理论是一个公认的难题，量子模拟器为解决这一问题提供了新的路径。

近年来，人们尝试用离子阱、超冷原子气体、Rydberg原子阵列和超导量子比特等体系对格点规范场理论开展量子模拟研究。然而，由于格点规范理论中相互作用形式复杂，并要求物理系统始终处在局域规范对称性约束条件下，这对格点规范场理论热化动力学的实验模拟造成了困难，因而还未在实验上实现。

为了解决以往的量子模拟器中相干调控的粒子数太少和无法保证规范对称性约束的两个主要问题，中国科大的研究团队开发了独特的自旋依赖超晶格、显微镜吸收成像、粒子数分辨探测等量子调控和测量技术，在超冷原子量子模拟器中提出并实现了光晶格中原子的深度制冷，解决了量子模拟器温度过高缺陷过多的问题，实验制备了近百个原子级别的规模化量子模拟器[Science 369, 550 (2020)]；首次实现了利用大规模量子模拟器对格点规范场理论量子相变过程的实验模拟，验证了过程中的规范不变性[Nature 587, 392 (2020)]。

规范理论动力学的受控方法（图源自Science ）

在以上研究的基础上，通过实验和理论结合，该团队将系统制备到远离平衡的初态，首次实验研究了规范对称性约束对量子多体系统热化动力学的影响，并且观测到具有相同守恒量的不同初态热化到同一个平衡态的过程，验证了热化过程造成的量子多体系统初态信息的“丢失”，建立了规范场理论早期非平衡动力学与最终热平衡态之间的联系，在使用规模化的量子模拟器求解复杂物理问题的道路上取得了重要进展。

在上述工作的基础上，该团队将进一步使用量子模拟的方法研究具有其他群对称性的、更高空间维度的规范场理论模型，研究真空衰变、动态拓扑量子相变等物理难题。

Science 杂志审稿人对此给予高度评价，认为该研究“为超冷原子模拟格点规范场理论这一领域的发展做出了重要贡献”、“代表了量子模拟研究领域的前沿。”

该研究工作得到了科技部、国家自然科学基金委、中科院、教育部和安徽省等的支持。

注：该文章解析参考自中国科学技术大学官网介绍。

解析链接：

http://news.ustc.edu.cn/info/1055/79824.htm

参考消息：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.abl6277

审核、编辑：大可

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