6篇Nature/Science,潘建伟等团队首次获得了理想的Weyl半金属材料
编者按
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从2020年开始,潘建伟团队在Nature 及Science 发表了6项研究成果,在量子物理学领域取得重大进展,iNature系统盘点这些研究成果:
Weyl半金属是三维(3D)无间隙拓扑相,在本体带中具有Weyl锥。根据晶格理论,Weyl锥必须成对出现,锥的最小数量为2。只有两个Weyl锥的半金属是理想的Weyl半金属(IWSM)。但迄今为止研究的固态材料至少有四个外尔锥。
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。
另外,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)。
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)。
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)。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)。
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)。
图片1:“九章”量子计算原型机光路系统原理图 :左上方激光系统产生高峰值功率飞秒脉冲;左方25个光源通过参量下转换过程产生50路单模压缩态输入到右方100模式光量子干涉网络; 最后利用100个高效率超导单光子探测器对干涉仪输出光量子态进行探测。(制图:陆朝阳,彭礼超)
图片2:光量子干涉实物图:左下方为输入光学部分,右下方为锁相光路,上方共输出100个光学模式,分别通过低损耗单模光纤与100超导单光子探测器连接。(摄影:马潇汉,梁竞,邓宇皓)
注:该解析部分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/1055/73418.htm
参考消息:
https://science.sciencemag.org/content/early/2020/12/02/science.abe8770
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