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[转载]【FOP专题】深圳量子科学与工程研究院建院5周年纪念专题

已有 1964 次阅读 2023-1-19 18:41 |系统分类:科研笔记|文章来源:转载

值新春佳节来临之际，深圳量子科学与工程研究院/深圳国际量子研究院院长俞大鹏院士携研究院全体科研工作者给大家拜年了！深圳量子院于2018年1月19日成立，经过5年建设，踔厉奋发，激流勇进，努力发扬敢闯敢试、敢为人先、埋头苦干的特区精神，在深圳这片热土上快速成长，一步一个脚印，取得了丰硕的研究成果，已成为我国量子科技的南方高地。为了推动量子事业的发展，特组织全院主要方向的研究人员，与国际同行以及Frontiers of Physics期刊（FOP）合作，推出建院5周年纪念专题(Special Topic: Embracing the Quantum Era: Celebrating the 5th Anniversary of Shenzhen Institute for Quantum Science and Engineering, Eds.: Dapeng Yu, Dawei Lu & Zhimin Liao)，先期推出六篇文章，内容涵盖量子计算、量子精密测量、量子材料、量子存储、量子前沿理论等领域，以飨读者。

FOP专题文章简介

量子计算是“二次量子科技革命”的核心技术，也是量子科技的制高点。量子计算机前沿技术日新月异，经过20多年的发展，其在物理体系的操控层面和可执行的算法方面都有了长足进步。俞大鹏院士组织研究院量子计算方向一线科研骨干，并与国内外知名专家合作，完成了此次量子计算综述文章“Noisy intermediate-scale quantum computers”。该文对量子计算领域各个核心方向在近20年来，尤其是近10年的技术进步和技术线路进行系统刻画，展示当前主流技术平台的关键挑战和应对思路，指出了量子计算未来面临的挑战，并对前景进行了展望。

激光器是一切光学研究和应用的基石。其中一个关键技术就是利用外腔控制和稳定激光发射频率。目前，对于外腔集成半导体激光器，当外腔内部会产生背散射光且外腔与激光器之间没有光隔离器时，激光器注入外腔但被外腔反射的光会重新注入到激光器，并触发“激光自注入锁定”。其结果就是激光噪声被极大抑制，甚至最终得到只能在光纤激光器中实现的亚赫兹激光线宽。同时，在足够的激光功率下，孤子光频率梳可以在外腔中生成。因此，这项基于激光自注入锁定的外腔集成半导体激光器和光频率梳技术可以实现小型化、高性能的激光器件，非常适合移动端和空间科学等精密测量应用。深圳量子院刘骏秋课题组和俄罗斯、阿联酋、苏州纳米所的多位合作者一起撰写了这篇题为“Recent advances in laser self-injection locking to high-Q microresonators”的激光自注入锁定综述，介绍了这项技术的物理机制和近期实验与应用进展。

磁场作用下拓扑半金属的量子输运方面，卢海舟教授及合作者撰写了量子输运相关的综述“Quantum transport in topological semimetals under magnetic fields (III)”（I全文，II全文）。这篇综述介绍了拓扑物质，尤其是拓扑半金属中的最新发现的输运现象，其中包括了非线性霍尔效应，三维高阶拓扑绝缘体中的库伦不稳定性以及电子密度波机制理论，Majorana震荡的衰减理论，量子极限下Kramer Weyl半金属的负磁阻理论，磁场驱动下的三位金属绝缘体相变理论以及与量子霍尔效应相关的各种边界态理论。同时，该文也提出了一些量子输运领域有待未来解决的问题。

随着拓扑绝缘体的发现，对材料拓扑性质的研究已经成为了凝聚态物理研究的新范式。而将磁性引入到拓扑材料中时，能带拓扑与时间反演对称性破缺的共同作用可以产生更多的新奇物态。陈朝宇研究员与合作者撰写了此次本征磁性拓扑材料的综述“Intrinsic magnetic topological materials”，总结了本征磁性拓扑材料的研究进展，包括但不限于磁性拓扑绝缘体、外尔/狄拉克半金属和其他拓扑金属。

量子通信实用化面临的最大挑战是光纤信号传输产生的指数衰减，使通信的距离被限制在百公里以内。突破该距离限制的一个可行方案是量子中继器协议，即将远的通信距离分割成小的基本链路，在较短的基本链路上产生纠缠并将其存储在量子存储器中。钟满金研究员等在综述“Rare-earth quantum memories: The experimental status quo”中总结了基于稀土掺杂晶体的量子存储近年在实验上的进展和新应用，归纳了其所面临的主要技术挑战并提出了相应的应对方案，展示了稀土掺杂晶体在实用化量子存储器发展中的巨大潜力。

在量子计算中，计算是由希尔伯特空间之间的算子来实现的。孔良研究员与合作者的最新研究工作“Categorical computation”探索了一种新的计算思想，其中量子计算中的算子由（高阶）范畴之间的函子来替代。那么，有没有可能找到函子的物理实现？立足于拓扑序的数学理论，研究人员发展了一个理论上的新方案。

深圳量子科学与工程研究院简介

深圳量子科学与工程研究院（以下简称深圳量子院）前身是于2016年成立的南方科技大学量子科学与工程研究所，该研究所2017年升格为南方科技大学量子科学与工程研究院。研究院于2018年1月19日挂牌成立，由深圳市科创委专项支持、依托南方科技大学建设，院长为中国科学院院士俞大鹏教授。深圳量子院是深圳科技创新行动计划首批启动建设的十大基础研究机构之一，是深圳市委市政府落实国家科技创新战略规划，开展战略新兴产业技术研究布局的重要举措。

深圳量子院围绕我国科技战略布局，依托深圳市领先的电子信息产业优势，结合粤港澳大湾区量子科技研究特色和经济社会发展的区域需求，前瞻布局量子科技等前沿技术创新领域，先后获批广东省和深圳市量子科学与工程重点实验室、科技部/教育部111量子科学创新引智基地、“量子科学与工程”粤港澳大湾区联合实验室等。研究院以量子信息技术为核心，聚焦量子物态与量子器件、量子计算、量子极限传感、量子工程应用等战略性新兴量子信息技术研发及产业应用。通过建立先进科学仪器与“卡脖子”设备研发平台，打破西方对我国在量子科学领域的技术封锁、设备禁运，保障我国量子科技发展自主可控、行稳致远。

2021年，在深圳市科创委、南方科技大学、福田区政府等单位的支持下，依托深圳量子院成立了独立法人事业单位——深圳国际量子研究院，作为量子科技国家战略力量的南方运营载体。深圳国际量子研究院将为进一步服务国家和粤港澳大湾区量子科技战略需求努力，立足深圳，放眼世界，积极推进高层次人才引进、储备及培养工作，有力支撑深圳中国特色社会主义先行示范区建设以及粤港澳大湾区国际科技创新中心建设。

深圳量子院五年来研究成果和进展汇总

经过近五年的建设，深圳量子院已经全球吸引了超过360人的人才队伍，包括中科院院士 1 人、国家特聘专家3人、APS Fellow/IEEE Fellow/国际数学统计学会Fellow/亚太人工智能学会 Fellow各 1 人等，2人入选MIT评论“35名35以下华裔青年科学家”杰出青年人才榜单，其中美国、德国、日本、瑞典、希腊等外籍研究人员超过10人。包括广东省珠江人才“广创团队”2个，深圳市“孔雀人才团队”4个，深圳市国家级领军人才5人等。

五年来，研究院承担了一批国家和省市量子科技领域的重大任务，获批各类竞争性研究项目近160余项。其中获批国家级项目74项，包括“科技创新2030—重大项目”6项；获批省部级41项，其中包括广东省重点领域研发计划项目7项；获批地市级22项等。

研究院本着求真务实的精神，勇闯无人区，在量子科技领域高质量论文不断涌现，质量和数量持续提升，累计发表学术论文超过1120篇，包括Nature 11 篇、Science 1篇、Nature Physics 5篇、Physical Review Letters 101篇、Nature Communications 27篇、Physical Review 系列共计300余篇，研究院科研人员在三维量子霍尔效应、拓扑超流体和超导体、超导量子计算等领域取得的一批具有国际影响力的重大原创成果。

部分成果简介如下：

2019张立源团队首次观测到三维量子霍尔效应，该成果入选2020年“十大科技进展”。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-019-1180-9；

南科大新闻网链接：https://newshub.sustech.edu.cn/html/202002/34059.html

2020年研究院院长、中国科学院院士俞大鹏与合作者联合攻关，在超大尺寸单晶金属箔库的制备领域再次取得重要进展，在国际上首次实现种类最全、尺寸最大的高指数晶面单晶铜箔库的制造，该成果入选“2020年（首届）中国半导体十大研究进展”以及“2020年中国重大技术进展。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-020-2298-5；

南科大新闻网链接：https://newshub.sustech.edu.cn/html/202005/37419.html

2020年研究院孔良、郑浩和MIT文小刚等人合作首次提出了统一了所有维具有内部对称性的拓扑序的分类理论。被审稿人称为拓扑序30年发展的最高峰。

原文链接：https://link.springer.com/article/10.1007/JHEP02(2020)150

2021年研究院超导量子计算团队与合作者联合在基于超导量子线路系统中，利用可调耦合器实现两个超导量子比特之间的高保真度、高扩展性的两比特量子门方案。

原文链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.125.240503；

南科大新闻网链接：https://newshub.sustech.edu.cn/html/202101/39571.html

2021年研究院副研究员王玉成与访问教授刘雄军合作，从理论上预言了具有扩展但不可热化特征的多体临界相的存在。

原文链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.126.080602；

南科大新闻网链接：https://newshub.sustech.edu.cn/html/202103/39759.html

2021年研究院教授卢海舟课题组在三维高阶拓扑绝缘体的拓扑稳定性方面取得进展，他们的理论首次研究了高阶拓扑绝缘体在相互作用下的拓扑稳定性问题。

原文链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.127.176601；

南科大新闻网链接：https://newshub.sustech.edu.cn/html/202110/41312.html

2021年研究院许志芳团队首次观测到类六角氮化硼光晶格上由相互作用诱导的具有拓扑准粒子激发的全局原子手性超流，改成果入选2021年度中国“十大科技进展”前30名。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-021-03702-0；

南科大新闻网链接：https://newshub.sustech.edu.cn/html/202108/41121.html

2022年研究院李正达课题组关于“量子力学的基本问题之一：复数的根本地位”的研究，以确凿的实验证据明确了复数在量子力学中的根本性地位，且不能被实数完全替代，该研究工作进一步加深了我们对于量子基础理论的认知，并将推动量子网络新的应用创新，入选2022年国际物理学十大进展。

原文链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.128.040402；

深圳量子院报道链接：https://mp.weixin.qq.com/s/Sz40c9J64V8U4LaJJtyhag

2022年研究院副教授陈洁菲的课题组在探索新型原子-光非厄米界面研究中取得了突破性进展。

原文链接：https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.128.083605；

南科大新闻网链接：https://newshub.sustech.edu.cn/html/202203/41840.html

2022年超导量子团队在超导量子比特的量子控制领域取得新进展，提出并实现了一种可扩展的消除比特间残余ZZ相互作用的方法。

原文链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.129.040502；

南科大新闻网链接：https://newshub.sustech.edu.cn/html/202208/42484.html

2022年超导量子团队提出并在实验上实现了一种易扩展的量子逻辑“与”(AND)门，大幅降低了在量子系统里实现与逻辑的硬件代价，为一系列关键量子算法的实现奠定基础。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41567-022-01813-7；

南科大新闻网链接：https://newshub.sustech.edu.cn/html/202211/43061.html

2022年超导量子团队徐源课题组首次实现基于离散变量的玻色编码突破量子纠错盈亏平衡点16%，延长了量子信息的存储时间，真正实现正的纠错增益，首次展示了量子纠错优势。该研究工作是迈向实用化可扩展的容错量子计算的里程碑式的关键一步，将推动量子信息处理领域的进一步发展。(arxiv: 2211.09319 (2022))

原文链接：https://arxiv.org/abs/2211.09319

围绕核心关键技术研发，研究院先后承担了多项关键科研装备的研制攻关任务，五年来总计申请国内外专利超120项，其中34项已获得授权。电子束曝光机研发团队联合北京大学和中科科仪等单位，先后研制成功三套30 kV电子束曝光机试验样机。低温制冷机团队解决了脉冲管制冷机的设计、加工、焊接、密封、测量等一系列问题，实验样机达到极低温工作环境。研究院对于在量子技术领域打破西方对我国的技术封锁、设备禁运，实现在关键领域自主可控，保障我国在量子科学领域的可持续发展起到了先行示范和排头兵作用。