量子前沿

首次實驗驗證三維量子霍爾效應

中國科學技術大學合肥微尺度物質科學國家研究中心國際功能材料量子設計中心（ICQD）和物理系教授喬振華與南方科技大學教授張立源、新加坡、美國等科學家合作，在碲化鋯（ZrTe5）塊體單晶體材料中首次觀測到三維量子霍爾效應的明確證據(jù)，并指出該效應可能是由于磁場下相互作用產生的電荷密度波誘導的。研究論文發(fā)表于Nature。這一工作終于將經歷了30余年等待的三維量子霍爾效應這一預言展現(xiàn)于世人面前。在這個效應中，由于維度的不同，現(xiàn)象背后的微觀物理機制也展現(xiàn)其新穎與誘人的方面。該發(fā)現(xiàn)有望為未來的凝聚態(tài)物理的發(fā)展注入新的活力。

圖1

圖2來源于中國科學技術大學國際功能材料量子設計中心網站

量子拓撲相變理論研究進展

清華大學物理系張廣銘課題組在量子拓撲相變理論方面取得進展，揭示了二維量子拓撲物態(tài)的基本模型（Toric Code）在電磁對偶路徑上的新穎量子拓撲相變和臨界行為，部分地回答了物理學中一個懸而未決的重要難題，并提供了完全解決該問題的新思路。研究論文發(fā)表于Physical Review Letters。研究團隊從量子波函數(shù)的角度來探討可能的量子拓撲相變的機制。借助于張量網絡態(tài)的表示理論，構造了一個可調控的量子多體波函數(shù)，并發(fā)現(xiàn)可映射到一個二維嚴格可解的經典統(tǒng)計模型（Ashkin-Teller模型）。借助于經典模型的嚴格解，發(fā)現(xiàn)Kitaev的Toric Code量子拓撲態(tài)嚴格對應經典統(tǒng)計模型的“部分有序態(tài)”。

超導量子計算研究進展

中國科學技術大學潘建偉院士與朱曉波、陸朝陽、彭承志等實現(xiàn)了國際上最大規(guī)模超導量子比特糾纏態(tài)12比特“簇態(tài)”的制備。研究論文發(fā)表于Physical Review Letters。通過設計和加工高品質的12比特一維鏈超導比特芯片，并且采用并行邏輯門操作方式避免比特間的串擾，以及熱循環(huán)操作去除不需要的二能級系統(tǒng)對于比特性能的影響，制備并驗證了12個超導比特的真糾纏，保真度達到70%，打破了2017年由中國科大、浙江大學、中科院物理研究所聯(lián)合研究組創(chuàng)造的10個超導量子比特糾纏的記錄。這也是目前固態(tài)量子系統(tǒng)中規(guī)模最大的多體糾纏態(tài)，可為下一步實現(xiàn)大規(guī)模隨機線路采樣和可擴展單向量子計算奠定基礎。

雙金屬量子阱層中共振隧穿研究進展

中國科學院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心磁學國家重點實驗室M02課題組韓秀峰研究員與國內外科學家合作，實現(xiàn)了磁性隧道結雙金屬量子阱層中的共振隧穿，為進一步發(fā)展基于共振隧穿效應的新型自旋電子學器件奠定了重要的實驗基礎。研究論文發(fā)表于Nano Letters。磁性隧道結中的量子阱共振隧穿效應由于其重要的科學與應用價值而被廣泛關注和研究。在半導體領域，多量子阱之間的共振隧穿已經被證實和應用，例如共振隧穿二極管、多量子阱的發(fā)光二極管等?？茖W家制備出了三勢壘隧道結，證明了在三勢壘隧道結中可以形成雙量子阱態(tài)，提煉出實現(xiàn)雙量子阱中的共振隧穿必須滿足的3個條件。

諾特定理與去禁閉量子臨界點

中國科學院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心博士后馬女森、加州大學圣地亞哥分校助理教授尤亦莊和物理所研究員孟子楊組成的研究團隊，首次提出了應用諾特定理尋找去禁閉量子臨界點涌現(xiàn)連續(xù)對稱性的研究方法。研究論文發(fā)表于Physical Review Letters。諾特定理告訴人們，物理系統(tǒng)中存在的連續(xù)對稱性都有對應的守恒律，最為人熟知的便是時空平移對稱性對應的能量和動量守恒律，守恒律又對應著系統(tǒng)中某一守恒流，可以是能量流、動量流、電流、粒子流等。反過來，如果可以觀測到物理系統(tǒng)存在某一守恒流，也就可以證明此系統(tǒng)具有該守恒流對應的連續(xù)對稱性。

易面（easy-plane）JQ模型和該系統(tǒng)的去禁閉量子相變（圖片來源于中國科學院物理研究所網站）

量子蒙特卡洛模擬得到的守恒流結果。x軸為1/L ，即外推到系統(tǒng)線性尺度無窮大的熱力學極限；y軸為關聯(lián)函數(shù)冪律的重整化修正指數(shù)eta，修正指數(shù)在熱力學極限下外推到零，就說明此處的關聯(lián)函數(shù)是守恒流算符的關聯(lián)函數(shù)，沒有重整化修正。（圖片來源于中國科學院物理研究所網站）

通過單光子動力學直接觀測拓撲性質

上海交通大學金賢敏團隊與山西大學激光光譜研究所賈鎖堂教授、梅鋒教授以及南京大學物理學院朱詩亮教授合作，通過光子晶格體態(tài)中單光子動力學過程直接觀察結構的拓撲數(shù)以及拓撲相變。研究論文發(fā)表于Physical Review Letters。拓撲不變量刻畫了拓撲晶體的拓撲性質，在凝聚態(tài)體系中可以通過測量電導得到。但是在光學體系中沒有霍爾電導相對應的物理量，因此在拓撲光子晶體中直接測量拓撲不變量便成了一個棘手的問題。研究團隊發(fā)現(xiàn)通過光子在光子晶體中的體態(tài)動力學演化過程可以得到拓撲不變量，并利用單光子動力學過程觀察到光子晶體的不同拓撲能帶之間的拓撲相變過程。

單自旋量子調控研究進展

中國科學技術大學教授杜江峰院士領導的中科院微觀磁共振重點實驗室研究團隊建立了在量子系統(tǒng)中實現(xiàn)基于非厄米哈密頓量的量子調控普適理論，并通過對金剛石量子比特的高精度量子操控，首次在單自旋體系中觀測到宇稱時間對稱性破缺。研究成果發(fā)表于Science。新的研究方法對非厄米哈密頓量本身沒有任何限制，包括任何維度及含時演化，均只需要消耗一個輔助比特的代價來實現(xiàn)。基于此，科學家將金剛石中的一個氮—空位缺陷中的電子自旋用作系統(tǒng)比特，一個核自旋作為輔助比特，實現(xiàn)了宇稱時間對稱哈密頓量，并觀測到宇稱時間對稱性破缺現(xiàn)象。實驗結果展示了單自旋量子態(tài)在宇稱時間對稱哈密頓量支配下的演化。

基于量子限域超流體的有序組裝反應過程

中國科學院理化技術研究所江雷院士和張錫奇等人聯(lián)名發(fā)表了題為“1D Nanoconfined Ordered-Assembly Reaction”的綜述文章。文章發(fā)表于Advanced Materials Interfaces。文章概述了一維納米限域化學反應的發(fā)展現(xiàn)狀，包括有機合成、聚合反應，以及金屬表面的納米限域預組裝反應。論述了生物納米通道和人工納米通道中物質的超快輸運現(xiàn)象，介紹了“量子限域超流體”概念，將納米通道內的物質超快輸運現(xiàn)象解釋為焓驅動的限域有序流體。受生物DNA合成的程序化組裝反應啟發(fā)，通過結合量子限域超流體概念和前線分子軌道理論，提出了“有序組裝反應”的新概念，用于理解納米限域作用增強反應性能的本質機理。