截止2022年7月15日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)學(xué)院潘建偉團(tuán)隊(duì)在及共計(jì)發(fā)表了22項(xiàng)重要研究成果，在量子光學(xué)、量子信息和量子熱學(xué)等領(lǐng)域取得重大進(jìn)展。系統(tǒng)總結(jié)潘建偉團(tuán)隊(duì)自2019年在及發(fā)表的14篇文章：
【1】規(guī)范理論構(gòu)成了現(xiàn)代數(shù)學(xué)學(xué)的基礎(chǔ)，其應(yīng)用范圍從基本粒子化學(xué)學(xué)和初期宇宙學(xué)到匯聚態(tài)系統(tǒng)。2022年7月14日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)學(xué)院潘建偉、苑震生等與法國(guó)海德堡學(xué)院、奧地利因斯布魯克學(xué)院、意大利特倫托學(xué)院的相關(guān)研究人員合作在在線發(fā)表題為“ofagaugeona”的研究論文，該研究使用超冷原子量子模擬器，對(duì)格點(diǎn)規(guī)范場(chǎng)理論中非平衡態(tài)過渡到平衡態(tài)的熱化動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了模擬，首次在實(shí)驗(yàn)上否認(rèn)了規(guī)范對(duì)稱性約束下量子多體熱化造成的初態(tài)信息“丟失”，取得了借助量子模擬方式求解復(fù)雜數(shù)學(xué)問題的重要進(jìn)展。
【2】2021年4月16日，中科大潘建偉、陳帥和上海學(xué)院劉雄軍共同通信在在線發(fā)表題為“ofanidealWeylbandinagaswith3Dspin-orbit”的研究論文，該研究通過對(duì)超冷原子進(jìn)行3D載流子軌道耦合工程實(shí)現(xiàn)的IWSM波段的實(shí)驗(yàn)。通過平衡狀態(tài)下的虛擬切塊成像技術(shù)可以清楚地檢測(cè)拓?fù)鋀eyl點(diǎn)，并在淬滅動(dòng)力學(xué)中進(jìn)一步解析。IWSM波段的實(shí)現(xiàn)為研究固體中無法接近的各類奇特現(xiàn)象開辟了一條途徑。
【3】2021年1月6日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)學(xué)院潘建偉，彭承志及陳宇翱共同通信在在線發(fā)表題為”Anspace-to-over4,600“的研究論文，該研究演示了一個(gè)集成的空對(duì)地量子通訊網(wǎng)路，該網(wǎng)路結(jié)合了包含700多個(gè)光纖QKD鏈路和兩個(gè)高速衛(wèi)星對(duì)地面自由空間QKD鏈路的大規(guī)模光纖網(wǎng)路。使用可靠的中繼結(jié)構(gòu)，地面上的光纖網(wǎng)路覆蓋了2,000多公里，為實(shí)際設(shè)備的缺陷提供了實(shí)用的安全性，并保持了常年的可靠性和穩(wěn)定性。對(duì)于典型的衛(wèi)星通行證，衛(wèi)星對(duì)地面QKD可以實(shí)現(xiàn)平均47.8kb/s的平均秘鑰速度，比原先的速度高40倍以上。據(jù)悉，其信道耗損可與對(duì)地靜止衛(wèi)星和地面之間的信道耗損相比，因而使通過月球同步衛(wèi)星建立更通用和超長(zhǎng)的量子鏈路成為可能。最后，通過集成光纖和自由空間QKD鏈路，QKD網(wǎng)路擴(kuò)充到了2600公里以外的遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)，使網(wǎng)路中的任何用戶都可以與其他任何用戶進(jìn)行通訊，總距離可達(dá)4600公里。
【4】2021年5月6日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)學(xué)院潘建偉及朱曉波共同通信在在線發(fā)表題為“walksonatwo-62-qubit”的研究論文，該研究設(shè)計(jì)和制造了一個(gè)由62個(gè)功能性量子位組成的8x8二維矩形超導(dǎo)量子位陣列。該研究使用此設(shè)備演示了高保真單粒子和兩個(gè)粒子的量子步態(tài)。據(jù)悉，因?yàn)榱孔犹幚砥鞯母叨瓤删幊绦裕撗芯繉?shí)現(xiàn)了一個(gè)Mach-干涉儀，其中量子步進(jìn)器在干涉和射出之前相干地沿兩條路徑運(yùn)動(dòng)。通過調(diào)整進(jìn)化路徑上的障礙，該研究觀察到了單行和雙行的干擾白色。該研究的工作是該領(lǐng)域的重要里程碑，使未來的大規(guī)模量子應(yīng)用更接近在這種喧囂的小型量子處理器上實(shí)現(xiàn)。
【5】2020年12月4日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)學(xué)院潘建偉、陸朝陽(yáng)等組成的研究團(tuán)隊(duì)與中科院武漢微系統(tǒng)所、國(guó)家并行計(jì)算機(jī)工程技術(shù)研究中心合作在在線發(fā)表題為“using”的研究論文，該研究建立了76個(gè)光子的量子估算靶機(jī)“九章”，實(shí)現(xiàn)了具有實(shí)用前景的“高斯玻色采樣”任務(wù)的快速求解。按照現(xiàn)有理論，該量子估算系統(tǒng)處理高斯玻色采樣的速率比目前最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)快一百萬(wàn)億倍（“九章”一分鐘完成的任務(wù)，超級(jí)計(jì)算機(jī)須要一億年）。等效地，其速率比今年微軟發(fā)布的53個(gè)超導(dǎo)比特量子估算靶機(jī)“懸鈴木”快一百億倍。這一成果促使我國(guó)成功達(dá)到了量子估算研究的第一個(gè)里程碑：量子估算的優(yōu)越性（美國(guó)稱作之為“量子霸權(quán)”）。
【6】2020年11月18日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)學(xué)院潘建偉，苑震生及卡爾斯學(xué)院Hauke共同在通信在在線發(fā)表題為“ofgaugeina71-siteBose–”的研究論文，該研究開發(fā)了一種專用的量子計(jì)算機(jī)---71個(gè)格點(diǎn)的超冷原子光晶格量子模擬器，對(duì)量子電動(dòng)熱學(xué)多項(xiàng)式施溫格模型（Model）進(jìn)行了成功模擬，通過操控禁錮在其中的超冷原子，從實(shí)驗(yàn)上觀測(cè)到了局域規(guī)范不變量，首次使用微觀量子調(diào)控手段在量子多體系統(tǒng)中驗(yàn)證了描述電荷與電場(chǎng)關(guān)系的高斯定律，取得了借助規(guī)模化量子估算和量子模擬方式求解復(fù)雜數(shù)學(xué)問題的重要突破。
【7】2020年6月18日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)學(xué)院潘建偉及苑震生共同通信在在線發(fā)表題為"andatomsin"的研究論文，該研究在理論上提出并實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)原子深度冷卻新機(jī)制的基礎(chǔ)上，在光晶格中首次實(shí)現(xiàn)了1250對(duì)原子高保真度糾纏態(tài)的同步制備，為基于超冷原子光晶格的規(guī)模化量子估算與模擬奠定了基礎(chǔ)。
【8】2020年6月15日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)學(xué)院潘建偉及彭承志共同通信在在線發(fā)表題為“-basedover1,120”的研究論文，該研究展示了兩個(gè)相距1,120km的地面站之間基于糾纏的QKD。與原本的工作相比，該研究將雙光子分布的鏈路效率提升了約4倍，并獲得了0.12比特/秒的有限秘鑰-秘密秘鑰速度。因而，該研究工作為基于糾纏的全球量子網(wǎng)路鋪平了公路。總體而言，結(jié)果使地面上實(shí)際QKD的安全距離從100km降低到超過1000km，而無需信任的中繼站，這代表了朝著任意長(zhǎng)距離遠(yuǎn)程用戶真正可靠且牢不可破的加密方式邁出的重要一步。
【9】2020年2月12日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)學(xué)院潘建偉、包小輝及張強(qiáng)共同通信在在線發(fā)表題為“oftwoviaoverof”的研究論文，該研究在量子中繼與量子網(wǎng)路方向取得重大突破。該研究通過發(fā)展高色溫光與原子糾纏源、低噪高效單光子頻度轉(zhuǎn)換技術(shù)和遠(yuǎn)程單光子精密干涉技術(shù)，成功地將相距50公里光纖的兩個(gè)量子儲(chǔ)存器糾纏上去，為建立基于量子中繼的量子網(wǎng)路奠定了基礎(chǔ)。
【10】2019年9月19日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)學(xué)院潘建偉，彭承志及Fan共同通信在在線發(fā)表題為“ofamodel”的研究論文，該研究報(bào)告了量子場(chǎng)風(fēng)波方式的量子光學(xué)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，該理論企圖在包含閉合時(shí)間曲線和普通時(shí)空的外來時(shí)空中呈現(xiàn)量子場(chǎng)的連貫描述。該研究借助“墨子號(hào)”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星對(duì)一類預(yù)言引力場(chǎng)造成量子退相干的理論模型進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)；
【11】2019年5月2日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)學(xué)院潘建偉，范桁及朱曉波等人在在線發(fā)表題為“walkswitha12-qubit”的研究論文，該研究使用超導(dǎo)量子比特作為具有高保真操作和斷層掃描讀數(shù)的人工原子，在12比特的超導(dǎo)處理器上研究了一個(gè)和兩個(gè)強(qiáng)相關(guān)微波光子的連續(xù)時(shí)間量子行走。有趣的是，該研究觀察到基本量子效應(yīng)量子通訊技術(shù)，包括疊加態(tài)量子信息的光錐傳播，非常是量子比特對(duì)之間的糾纏，以及時(shí)間演進(jìn)相關(guān)的奇特行為，表示光子反聚束與有吸引力的互相作用。該研究制備出12個(gè)超導(dǎo)比特的量子多體糾纏態(tài)，不但刷新世界紀(jì)錄，并為進(jìn)一步研究多體動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象和通用量子估算奠定了基礎(chǔ)；
【12】2019年1月18日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)學(xué)院潘建偉，趙博等人在在上發(fā)表了題為“of+40K”的研究論文，該研究表明在超高溫下觀察到的原子-分子共振以極高的幀率偵測(cè)三體勢(shì)能面有助于提升對(duì)超冷碰撞的理解；
【13】2022年2月3日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)學(xué)院潘建偉，姚星燦及陳宇翱共同通信在在線發(fā)表題為”soundnear“的研究論文，該研究報(bào)告了通過在短波長(zhǎng)極限下執(zhí)行具有高能量碼率的克拉科夫波譜，在單一的6Li原子的均勻費(fèi)米二氧化碳中觀察到二次聲衰減。該研究成功地獲得了二次聲擴(kuò)散率D2和熱導(dǎo)率κ的氣溫依賴性。據(jù)悉，該研究觀察到在約0.95超流體轉(zhuǎn)變體溫Tc的氣溫下，D2和κ的猛然上升——臨界發(fā)散的征兆。這表明單一費(fèi)米二氧化碳的臨界區(qū)比液氦大得多。該研究結(jié)果為確定接近量子臨界的通用臨界標(biāo)度函數(shù)鋪平了公路。
【14】2022年2月9日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)學(xué)院潘建偉，趙博及中國(guó)科大學(xué)物理研究所白春禮共同通信在在線發(fā)表題為“fortheofin?+?40K”的研究論文，該研究報(bào)告了在旋轉(zhuǎn)震動(dòng)能級(jí)的分子和40K原子之間的共振附近三原子分子關(guān)聯(lián)的證據(jù)。該研究應(yīng)用射頻脈沖來驅(qū)動(dòng)和40K的超冷混和物中的自由結(jié)合躍遷，并檢測(cè)分子的損失。三原子分子的結(jié)合表現(xiàn)為射頻波譜中的附加損失特點(diǎn)，可以與原子損失特點(diǎn)區(qū)分開來。觀察到締合特點(diǎn)和原子躍遷之間的距離隨磁場(chǎng)的變化而變化，為三原子分子的產(chǎn)生提供了有力的證據(jù)。三原子分子的結(jié)合能從檢測(cè)中恐怕。該研究工作有助于理解復(fù)雜的超冷原子-分子共振，并可能為制備和控制超冷三原子分子開辟一條途徑。
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規(guī)范場(chǎng)理論是現(xiàn)代數(shù)學(xué)學(xué)的基礎(chǔ)，如描述基本粒子互相作用的量子電動(dòng)熱學(xué)、標(biāo)準(zhǔn)模型等都是滿足特定群對(duì)稱性的規(guī)范場(chǎng)理論。隨著半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，它在粒子化學(xué)學(xué)、宇宙學(xué)以及匯聚態(tài)化學(xué)學(xué)等領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用。因?yàn)槠淝蠼鈴?fù)雜度高，規(guī)范場(chǎng)理論體系中依然有好多開放問題。其中，規(guī)范場(chǎng)理論描述的數(shù)學(xué)系統(tǒng)是否可以從遠(yuǎn)離平衡態(tài)經(jīng)過演變達(dá)到熱平衡就是一個(gè)深受關(guān)注并極具挑戰(zhàn)的問題。這一問題的解決，有助于人們理解高能化學(xué)中重核碰撞的問題，也將為現(xiàn)代宇宙學(xué)中大爆燃初期物質(zhì)的產(chǎn)生提供物理解釋。并且，使用精典計(jì)算機(jī)求解復(fù)雜的規(guī)范場(chǎng)理論是一個(gè)公認(rèn)的困局，量子模擬器為解決這一問題提供了新的路徑。
近些年來，人們嘗試用離子阱、超冷原子二氧化碳、原子陣列和超導(dǎo)量子比特等體系對(duì)格點(diǎn)規(guī)范場(chǎng)理論舉辦量子模擬研究。但是，因?yàn)楦顸c(diǎn)規(guī)范線理論中互相作用方式復(fù)雜，并要求數(shù)學(xué)系統(tǒng)仍然處在局域規(guī)范對(duì)稱性約束條件下，這對(duì)格點(diǎn)規(guī)范場(chǎng)理論熱化動(dòng)力學(xué)的實(shí)驗(yàn)?zāi)M導(dǎo)致了困難，因此還未在實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)。
為了解決往年的量子模擬器中相干調(diào)控的粒子數(shù)太少和難以保證規(guī)范對(duì)稱性約束的兩個(gè)主要問題，中國(guó)農(nóng)大的研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了奇特的載流子依賴超晶格、顯微鏡吸收成像、粒子數(shù)區(qū)分偵測(cè)等量子調(diào)控和檢測(cè)技術(shù)，在超冷原子量子模擬器中提出并實(shí)現(xiàn)了光晶格中原子的深度制熱，解決了量子模擬器室溫偏低缺陷過多的問題，實(shí)驗(yàn)制備了近百個(gè)原子級(jí)別的規(guī)模化量子模擬器[369,550(2020)]；首次實(shí)現(xiàn)了借助大規(guī)模量子模擬器對(duì)格點(diǎn)規(guī)范場(chǎng)理論量子相變過程的實(shí)驗(yàn)?zāi)M量子通訊技術(shù)，驗(yàn)證了過程中的規(guī)范不變性[587,392(2020)]。
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規(guī)范理論動(dòng)力學(xué)的受控方式（圖源自）
在以上研究的基礎(chǔ)上，通過實(shí)驗(yàn)和理論結(jié)合，該團(tuán)隊(duì)將系統(tǒng)制備到遠(yuǎn)離平衡的初態(tài)，首次實(shí)驗(yàn)研究了規(guī)范對(duì)稱性約束對(duì)量子多體系統(tǒng)熱化動(dòng)力學(xué)的影響，但是觀測(cè)到具有相同守恒量的不同初態(tài)熱化到同一個(gè)平衡態(tài)的過程，驗(yàn)證了熱化過程引起的量子多體系統(tǒng)初態(tài)信息的“丟失”，構(gòu)建了規(guī)范場(chǎng)理論初期非平衡動(dòng)力學(xué)與最終熱平衡態(tài)之間的聯(lián)系，在使用規(guī)模化的量子模擬器求解復(fù)雜數(shù)學(xué)問題的公路上取得了重要進(jìn)展。
在上述工作的基礎(chǔ)上，該團(tuán)隊(duì)將進(jìn)一步使用量子模擬的方式研究具有其他群對(duì)稱性的、更高空間維度的規(guī)范場(chǎng)理論模型，研究真空衰變、動(dòng)態(tài)拓?fù)淞孔酉嘧兊然瘜W(xué)困局。
刊物審稿人對(duì)此給與高度評(píng)價(jià)，覺得該研究“為超冷原子模擬格點(diǎn)規(guī)范場(chǎng)理論這一領(lǐng)域的發(fā)展作出了重要貢獻(xiàn)”、“代表了量子模擬研究領(lǐng)域的前沿。”
該研究工作得到了科技部、國(guó)家自然科學(xué)基金委、中科院、教育部和江蘇省等的支持。
注：該文章解析參考自中國(guó)科學(xué)技術(shù)學(xué)院官網(wǎng)介紹。
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