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量子隱形傳態(tài)是建立遠(yuǎn)距離量子網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)之一。相比二維系統(tǒng)，高維量子網(wǎng)絡(luò)具有更高的信道容量、更高的安全性等優(yōu)點，受到人們的廣泛關(guān)注。如何實現(xiàn)高效的高維量子隱形傳態(tài)，從而實現(xiàn)高效的高維量子網(wǎng)絡(luò)是當(dāng)前量子信息領(lǐng)域的研究熱點之一。 為了實現(xiàn)高維量子通信，李傳鋒、柳必恒等人從2016年開始采用光子的路徑自由度編碼，解決了路徑比特的相干性問題[PRL 117, 220402 (2016)]，制備出了高保真度的三維糾纏態(tài)[PRL 117, 170403(2016)]；解決路徑維度擴(kuò)展問題，實現(xiàn)了32維量子糾纏態(tài)[PRL 125, 080503 (2020)]；解決路徑自由度的傳輸問題，實現(xiàn)了高維量子糾纏態(tài)在11公里光纖中的有效傳輸[Optica 7, 738 (2020)]等。研究組從2017年起開始了高維量子隱形傳態(tài)的實驗研究。然而理論研究表明，在線性光學(xué)體系中，必須采用輔助粒子才能實現(xiàn)高維量子隱形傳態(tài)。 為了實現(xiàn)高維量子隱形傳態(tài)，研究組首先巧妙的提出了糾纏輔助的方式，利用log2d-1個輔助糾纏光子對就可以高效的實現(xiàn)d維的量子隱形傳態(tài)，從而解決了資源消耗問題。然后實驗上利用主動反饋技術(shù)實現(xiàn)路徑間的相位鎖定，干涉可見度在45小時內(nèi)保持在0.98的水平，從而利用六光子系統(tǒng)實現(xiàn)了三維的量子隱形傳態(tài)。研究組對三維量子隱形傳態(tài)過程做了過程層析，保真度達(dá)到0.596，以7個標(biāo)準(zhǔn)差超過了經(jīng)典極限值1/3，證實了三維量子隱形傳態(tài)過程的量子特性。高效的高維量子隱形傳態(tài)的實現(xiàn)為構(gòu)建高效的高維量子網(wǎng)絡(luò)打下堅實的基礎(chǔ)。

項目成果/簡介:量子隱形傳態(tài)是建立遠(yuǎn)距離量子網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)之一。相比二維系統(tǒng)，高維量子網(wǎng)絡(luò)具有更高的信道容量、更高的安全性等優(yōu)點，受到人們的廣泛關(guān)注。如何實現(xiàn)高效的高維量子隱形傳態(tài)，從而實現(xiàn)高效的高維量子網(wǎng)絡(luò)是當(dāng)前量子信息領(lǐng)域的研究熱點之一。 為了實現(xiàn)高維量子通信，李傳鋒、柳必恒等人從2016年開始采用光子的路徑自由度編碼，解決了路徑比特的相干性問題[PRL 117, 220402 (2016)]，制備出了高保真度的三維糾纏態(tài)[PRL 117, 170403(2016)]；解決路徑維度擴(kuò)展問題，實現(xiàn)了32維量子糾纏態(tài)[PRL 125, 080503 (2020)]；解決路徑自由度的傳輸問題，實現(xiàn)了高維量子糾纏態(tài)在11公里光纖中的有效傳輸[Optica 7, 738 (2020)]等。研究組從2017年起開始了高維量子隱形傳態(tài)的實驗研究。然而理論研究表明，在線性光學(xué)體系中，必須采用輔助粒子才能實現(xiàn)高維量子隱形傳態(tài)。 為了實現(xiàn)高維量子隱形傳態(tài)，研究組首先巧妙的提出了糾纏輔助的方式，利用log2d-1個輔助糾纏光子對就可以高效的實現(xiàn)d維的量子隱形傳態(tài)，從而解決了資源消耗問題。然后實驗上利用主動反饋技術(shù)實現(xiàn)路徑間的相位鎖定，干涉可見度在45小時內(nèi)保持在0.98的水平，從而利用六光子系統(tǒng)實現(xiàn)了三維的量子隱形傳態(tài)。研究組對三維量子隱形傳態(tài)過程做了過程層析，保真度達(dá)到0.596，以7個標(biāo)準(zhǔn)差超過了經(jīng)典極限值1/3，證實了三維量子隱形傳態(tài)過程的量子特性。高效的高維量子隱形傳態(tài)的實現(xiàn)為構(gòu)建高效的高維量子網(wǎng)絡(luò)打下堅實的基礎(chǔ)。

項目成果/簡介:福州大學(xué)至誠學(xué)院孫磊教授為第一作者、物信學(xué)院陳恩果副教授為通訊作者、郭太良研究員為第三作者，在材料工程領(lǐng)域國際權(quán)威期刊《陶瓷國際》（英文刊名：《Ceramics International》）上發(fā)表的題為“Al2O3過渡層優(yōu)化對ZnO量子點與CuO納米線復(fù)合結(jié)構(gòu)的場發(fā)射增強(qiáng)作用”（英文題為“Field emission enhancement of composite structure of ZnO quantum dots and CuO nanowires by Al2O3 transition layer optimization”）的論文。 本論文研究ZnO QDs 與傳統(tǒng)一維氧化物CuO納米線（CuO NWs）異質(zhì)結(jié)構(gòu)，以一維氧化物納米棒為基體為 ZnO QDs 提供良好的定向電荷傳輸，同時 ZnO QDs 的表面改性又能改善基體的場發(fā)射性能，提出了詳細(xì)的電勢疊加效應(yīng)和形成機(jī)制。鑒于 ZnO QDs 在 CuO NWs 表面呈現(xiàn)孤島狀分布且生長密度低，通過表面改性工程利用原子層沉積(ALD)工藝先在 CuO NWs 基體上沉積 Al2O3 薄膜，均勻的 Al2O3 薄膜為 ZnO QDs 的生長提供了良好的成核表面，同時可以降低基體表面的電子勢壘高度。這種金屬氧化物異質(zhì)結(jié)構(gòu)在很多應(yīng)用中都具有重要的意義，特別是由于表面積大大增加，異質(zhì)結(jié)密度提高，具有固有光捕獲效應(yīng)等優(yōu)點。研究成果為改善單一納米材料器件的場發(fā)射性能提供了有效途徑，也為制備新型結(jié)構(gòu)的場發(fā)射器件奠定理論基礎(chǔ)。

北京大學(xué)量子材料中心王健研究組在硅襯底上外延生長了高質(zhì)量超薄晶態(tài)鉛膜，與北京大學(xué)謝心澄院士、林熙研究員和北京師范大學(xué)劉海文研究員合作在極低溫下觀測到反常量子格里菲斯奇異性，并給出理論解釋。這一發(fā)現(xiàn)揭示了超導(dǎo)漲落與自旋軌道耦合效應(yīng)對于量子相變的重要影響，揭示出量子格里菲斯奇異性在二維超導(dǎo)金屬相變中的普適性。 超導(dǎo)-絕緣體與超導(dǎo)-金屬相變是量子相變的經(jīng)典范例，已有三十余年的研究歷史。所謂量子相變，是指在絕對零度下系統(tǒng)處于量子基態(tài)時隨著參數(shù)變化而發(fā)生的相變。近年來，隨著薄膜和器件制備工藝的提高，二維晶態(tài)超導(dǎo)體系逐漸成為了研究量子相變的理想平臺，得到了國際學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注。王健研究組與謝心澄院士、馬旭村研究員、林熙研究員、薛其坤院士等合作者在前期二維超導(dǎo)的相關(guān)研究中發(fā)現(xiàn)了超導(dǎo)-金屬相變中的量子格里菲斯奇異性 (Science 350, 542 (2015)), 并被同期perspective評論文章Science 350, 509 (2015)專題報道。隨后被液態(tài)柵極技術(shù)發(fā)明人東京大學(xué)Iwasa教授的綜述文章Nature Reviews Materials 2, 16094 (2016)譽為二維晶態(tài)超導(dǎo)中三個最重要的主題之一。量子格里菲斯奇異性的研究表明，無序可以定性地改變量子相變的臨界行為，其主要特征是趨于量子臨界點時，二維超導(dǎo)體系的動力學(xué)臨界指數(shù)發(fā)散。 最近，王健研究組通過超高真空分子束外延生長技術(shù)在硅襯底上制備出宏觀尺度高質(zhì)量晶態(tài)薄膜，并實現(xiàn)了厚度為亞納米尺度的原子層級可控生長。在此基礎(chǔ)上，王健教授與謝心澄院士、林熙研究員、劉海文研究員等人合作，在4個原子層厚（約1納米）的晶態(tài)鉛膜中發(fā)現(xiàn)了一種具有反常相邊界的超導(dǎo)-金屬相變，并揭示了其中的反常量子格里菲斯奇異性。根據(jù)平均場理論，超導(dǎo)體的上臨界場會隨著溫度降低而逐漸增加。然而，系統(tǒng)的極低溫實驗表明，4個原子層厚的鉛膜的相邊界在低溫下具有非常新奇的反常特性：隨著溫度降低，鉛膜的上臨界場（onset Bc2）在低溫下也逐漸降低。沿著反常相邊界對鉛膜的磁阻曲線進(jìn)行標(biāo)度理論分析發(fā)現(xiàn)，在趨近于量子臨界點附近臨界指數(shù)隨著磁場減小而迅速增大直至發(fā)散，該現(xiàn)象與前期實驗中發(fā)現(xiàn)的臨界指數(shù)隨著磁場增大而發(fā)散的行為不同，故稱為反常量子格里菲斯奇異性。考慮到這類二維超導(dǎo)體系具有很強(qiáng)的自旋軌道耦合，研究團(tuán)隊基于超導(dǎo)漲落理論發(fā)展了一套新的唯象理論模型，定量地解釋了這一反常相邊界。在自旋軌道耦合與超導(dǎo)漲落效應(yīng)的共同作用下，超導(dǎo)-金屬相邊界偏離平均場理論而向外突出，并在反常相邊界處呈現(xiàn)出量子格里菲斯奇異性。這一新奇量子相變的發(fā)現(xiàn)，證實了量子格里菲斯奇異性在不同相邊界的超導(dǎo)-金屬相變中具有普適性，并進(jìn)一步揭示出自旋軌道耦合與超導(dǎo)漲落效應(yīng)對于超導(dǎo)-金屬相變的影響，為深入理解二維晶態(tài)超導(dǎo)體中的量子相變現(xiàn)象提供了一個新的視角。圖1 四個原子層厚晶態(tài)鉛膜中的反常量子格里菲斯奇異性。(a) 鉛膜在零磁場下的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變曲線。插圖是輸運測量結(jié)構(gòu)示意圖。(b) 在0到5特斯拉不同外加磁場下鉛膜電阻隨溫度的變化曲線。 (c) 鉛膜在低溫下表現(xiàn)出反常相邊界，與超導(dǎo)漲落唯象理論模型一致。 (d) 臨界指數(shù)隨著磁場減小而迅速增大，直至發(fā)散，是反常量子格里菲斯奇異性的特征。圖2 反常量子格里菲斯奇異性相圖示意圖。在自旋軌道耦合和超導(dǎo)漲落的作用下，平均場理論的相邊界（藍(lán)色虛線）向外突出形成新的相邊界（紅色實線）。當(dāng)溫度低于T^'時，紅色實線代表反常相邊界。沿著反常相邊界趨于無限隨機(jī)量子臨界點B_c^*可以觀測到反常量子格里菲斯奇異性。 該工作于2019年8月12日發(fā)表于著名學(xué)術(shù)期刊《自然?通訊》。(Nature Communications 10, 3633 (2019) DOI: 10.1038/s41467-019-11607-w): https://www.nature.com/articles/s41467-019-11607-w 北京大學(xué)王健研究組博雅博士后劉易和研究生王子喬為文章共同第一作者，北京大學(xué)王健教授和北京師范大學(xué)劉海文研究員是本文的共同通訊作者。其余作者包括謝心澄院士，林熙研究員，以及王健研究組本科生唐鉞、博士生劉超飛、陳澄、邢穎（已畢業(yè)）、博士后王慶艷（已出站），和林熙組博士生閃普甲。 該工作得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、量子物質(zhì)科學(xué)協(xié)同創(chuàng)新中心、中科院卓越創(chuàng)新中心、北京市自然科學(xué)基金、博士后科學(xué)基金、中央高校基本科研基金的支持。

福州大學(xué)至誠學(xué)院孫磊教授為第一作者、物信學(xué)院陳恩果副教授為通訊作者、郭太良研究員為第三作者，在材料工程領(lǐng)域國際權(quán)威期刊《陶瓷國際》（英文刊名：《Ceramics International》）上發(fā)表的題為“Al2O3過渡層優(yōu)化對ZnO量子點與CuO納米線復(fù)合結(jié)構(gòu)的場發(fā)射增強(qiáng)作用”（英文題為“Field emission enhancement of composite structure of ZnO quantum dots and CuO nanowires by Al2O3 transition layer optimization”）的論文。 本論文研究ZnO QDs 與傳統(tǒng)一維氧化物CuO納米線（CuO NWs）異質(zhì)結(jié)構(gòu)，以一維氧化物納米棒為基體為 ZnO QDs 提供良好的定向電荷傳輸，同時 ZnO QDs 的表面改性又能改善基體的場發(fā)射性能，提出了詳細(xì)的電勢疊加效應(yīng)和形成機(jī)制。鑒于 ZnO QDs 在 CuO NWs 表面呈現(xiàn)孤島狀分布且生長密度低，通過表面改性工程利用原子層沉積(ALD)工藝先在 CuO NWs 基體上沉積 Al2O3 薄膜，均勻的 Al2O3 薄膜為 ZnO QDs 的生長提供了良好的成核表面，同時可以降低基體表面的電子勢壘高度。這種金屬氧化物異質(zhì)結(jié)構(gòu)在很多應(yīng)用中都具有重要的意義，特別是由于表面積大大增加，異質(zhì)結(jié)密度提高，具有固有光捕獲效應(yīng)等優(yōu)點。研究成果為改善單一納米材料器件的場發(fā)射性能提供了有效途徑，也為制備新型結(jié)構(gòu)的場發(fā)射器件奠定理論基礎(chǔ)。

"本項目研發(fā)的新型量子吸藍(lán)光材料，用于防藍(lán)光眼鏡，防藍(lán)光護(hù)眼貼膜等產(chǎn)品。可用于防護(hù)液晶（LCD）和有機(jī)電致發(fā)光（OLED）手機(jī)，電腦顯示器等電子產(chǎn)品顯示器屏幕發(fā)出的高能藍(lán)光，實現(xiàn)健康護(hù)眼的目的。 該種新型量子吸藍(lán)光材料具有超強(qiáng)的光波過濾功能，比市面現(xiàn)有主流吸藍(lán)光材料效果高10－100倍，處于世界領(lǐng)先水平。在技術(shù)層面優(yōu)于市場上現(xiàn)有產(chǎn)品。依托于先進(jìn)的新型量子技術(shù)制備防藍(lán)光護(hù)眼鏡片和護(hù)眼貼膜，可高效吸收藍(lán)光，從根本上解決電子產(chǎn)品藍(lán)光傷害這一社會痛點問題。 本項目量子防藍(lán)光眼鏡和貼膜產(chǎn)品的生產(chǎn)有兩條技術(shù)路線，主要步驟如下： 1、無機(jī)吸藍(lán)光材料分散在聚合物基材（如聚碳酸酯,聚丙烯酸酯）中直接成型； 2、無機(jī)吸藍(lán)光材料分散在紫外光固化膠水中，采用涂布技術(shù)制作鏡片或者可貼合膜片。"

從理論物理學(xué)家安德森“more is different”的觀點提出以來，人們越來越多地意識到多體系統(tǒng)中可以出現(xiàn)豐富的、與單個粒子性質(zhì)不同的新物理規(guī)律。在二維自由電子系統(tǒng)中，大量相互作用的二維電子構(gòu)成一個強(qiáng)關(guān)聯(lián)體系。在特定條件下，系統(tǒng)哈密頓算符中的電子間長程庫倫相互作用主導(dǎo)了系統(tǒng)的物理性質(zhì)。這是一個無參數(shù)的理論問題，也是一個無法微擾處理的問題。多體問題的復(fù)雜和有趣在這里體現(xiàn)得淋漓盡致：攜帶單位電荷的一群電子可以產(chǎn)生攜帶小于單位電荷的準(zhǔn)粒子。 極低溫強(qiáng)磁場中的超高遷移率二維電子氣可以出現(xiàn)分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)。奇數(shù)分母的分?jǐn)?shù)量子霍爾態(tài)有唯一的基態(tài)：復(fù)合費米子的整數(shù)量子霍爾效應(yīng)或復(fù)合玻色子的玻色愛因斯坦凝聚。單層二維電子氣中填充因子為5/2的分?jǐn)?shù)態(tài)是罕有的偶數(shù)分母態(tài)的例子，它可能對應(yīng)了p波配對的復(fù)合費米子，擁有拓?fù)浔Ｗo(hù)的多簡并基態(tài)波函數(shù)，其準(zhǔn)粒子可能服從非阿貝爾統(tǒng)計。5/2態(tài)是第一個被認(rèn)為可以用于拓?fù)淞孔佑嬎愕膶嶒烍w系。3/2填充因子處，原有的實驗結(jié)果和理論框架支持復(fù)合費米子海的解釋，即不存在3/2分?jǐn)?shù)態(tài)，也不應(yīng)該存在分?jǐn)?shù)量子霍爾平臺。圖：不同門電壓條件下的磁場依賴關(guān)系，隨著門電壓改變局域條件，5/3的量子霍爾平臺逐漸演變?yōu)榱钊艘馔獾?/2平臺。[Nature Communications 10, 4351 (2019)] 量子材料科學(xué)中心于2016年觀測到了3/2偶數(shù)分母分?jǐn)?shù)量子霍爾平臺，該工作于2017年10月投稿，2019年9月26日在線發(fā)表于《自然.通訊》（https://doi.org/10.1038/s41467-019-12245-y）。林熙課題組的付海龍（2017年畢業(yè)，現(xiàn)為Penn State University校級榮譽Eberly Research Fellow）為此現(xiàn)象的觀測者，二維電子氣樣品由普林斯頓大學(xué)L. N. Pfeiffer提供。實驗發(fā)現(xiàn)，3/2平臺的量子化程度高達(dá)0.02%，只在二維電子氣被局域的特定條件下出現(xiàn)，這意味著帶合適邊界條件的多體體系可能有與無邊界條件時不一樣的量子態(tài)存在。 當(dāng)局域結(jié)構(gòu)中形成3/2平臺時，局域結(jié)構(gòu)外是5/3分?jǐn)?shù)態(tài)，所以1/6量子電導(dǎo)被反射了。1/6的量子電導(dǎo)不屬于通常理論框架下的任何邊界態(tài)，所以它的出現(xiàn)可能預(yù)示著新的邊界態(tài)以及新的準(zhǔn)粒子的出現(xiàn)。量子中心的謝心澄老師和他的學(xué)生吳宜家對此給出理論分析，提出隧穿強(qiáng)度的變化在局域結(jié)構(gòu)附近引起拓?fù)湎嘧儯瑥亩鴮?dǎo)致分?jǐn)?shù)電荷的再次量子化。5/3分?jǐn)?shù)態(tài)的準(zhǔn)粒子攜帶的電荷是e/3，1/6電導(dǎo)的出現(xiàn)可能是5/3態(tài)的準(zhǔn)粒子繼續(xù)1/2量子化的結(jié)果，所以理論預(yù)言了一個攜帶e/6分?jǐn)?shù)電荷的新激發(fā)。

大部分鐵基超導(dǎo)的母體在有限溫度會有“向列”相變，在此溫度之下晶格的四重旋轉(zhuǎn)對稱性會自發(fā)破缺，而在此相變溫度下略低或相同的溫度會發(fā)生條紋反鐵磁相變。所以通常認(rèn)為這些鐵基材料中的向列相是由反鐵磁關(guān)聯(lián)驅(qū)動。但是FeSe體材料的行為與典型的鐵基超導(dǎo)材料非常不同。FeSe在90K溫度有向列相變，但直到可以測量的最低溫度都沒有磁性長程序。最近的核磁共振研究在向列相變溫度附近也沒有看到低能自旋漲落的增強(qiáng)。基于這些結(jié)果，一些人推測FeSe中的向列相和磁性無關(guān)而可能是由軌道序驅(qū)動。通過理論論證和數(shù)值計算提出正方晶格上自旋為1的阻挫自旋模型可以有一種“向列量子順磁相”。這個相自發(fā)地破缺晶格的四重旋轉(zhuǎn)對稱性，但是有自旋能隙，所以沒有接近零能的自旋漲落。王垡及合作者指出這種物相可以解釋FeSe體材料的不尋常物性，并且預(yù)言FeSe會在條紋反鐵磁序和交錯反鐵磁序的兩種波矢都具有有限能量的低能自旋漲落。