科技先锋·22|中国科大多项研究取得新进展

中国科大实现高维量子纠缠态的最优检测

11月22日，中国科大郭光灿院士团队在高维量子通信研究中取得重要进展，该团队李传锋、柳必恒研究组与电子科技大学王子竹教授、奥地利高小钦博士、Miguel Navascués教授等合作，首次实现了高维量子纠缠态的最优检测。相关成果发表在国际知名期刊《物理评论快报》上。

量子纠缠是量子信息过程的核心资源，如何在实验上制备和检测量子纠缠是量子信息领域的基本任务。然而，随着系统维度数和粒子数的增加，量子态层析技术这种传统的检测量子纠缠态的方法消耗的资源将会指数增长，因而在实验上不具备可扩展性。为了解决高维纠缠检测这一难题，研究组曾利用基于保真度的纠缠目击方法检测了32维的两体最大纠缠态，保真度达到了世界上最高水平[Phys. Rev. Lett.125, 090503 (2020)]。然而对于常见的非最大高维纠缠态，基于保真度的纠缠目击方法并不普适。

针对该困难，研究组与理论合作者们给出了一种最优的量子纠缠检测方法，该方法适用于所有的两体量子纠缠态。为了检验该方法的普适性，他们在实验上巧妙的制备出一系列不同类型的高维量子纠缠态，并实现了对该量子纠缠态的局域测量等操作，从而实现最优的量子纠缠检测。实验结果表明，对于四维或三维的不能采用基于保真度的纠缠目击方法检测的量子纠缠态，用新的方法只需采用三组测量基即可认证其量子纠缠。

本成果解决了两体高维纠缠态的检测问题，为实现各种高维量子信息过程和研究高维系统中的量子物理基本问题打下重要基础。

文章共同第一作者为中科院量子信息重点实验室特任副研究员胡晓敏博士和博士研究生邢文博。本研究得到科技部、国家基金委、中国科学院、安徽省的支持。

图1. 高维量子纠缠态的最优检测实验结果。

（a）和(b)是两种不同的非最大纠缠态。

图中绿色区域中的纠缠态不能用基于保真度的纠缠目击方法检测。

文章链接：

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.127.220501

中国科大在量子精密测量和暗物质探测领域同时取得重大进展

11月18日，中国科大中科院微观磁共振重点实验室彭新华研究组和德国亥姆霍兹研究所的Dmitry Budker教授组合作，开发出一种新型的超灵敏量子精密测量技术，利用该新技术进一步开展了暗物质的实验直接搜寻，实验结果比先前的国际最好水平提升至少5个数量级，并首次突破国际公认最强的宇宙天文学界限。相关研究成果以“Search for axion-like dark matter with spin-based amplifiers”为题在线发表于国际知名学术期刊《Nature Physics》上。

大量的天文学观测表明，宇宙物质组成中的绝大部分为暗物质，占到了约85%，而我们所熟悉的普通物质只占约15%。但是人们对于暗物质到底是什么，暗物质粒子质量及其性质等，却知之甚少。目前暗物质的热门候选粒子包括弱相互作用大质量粒子（Weakly Interacting Massive Particle， WIMP）、轴子（axion），暗光子（dark photon）等。为了寻找这些神秘的暗物质粒子，各个国家纷纷布局了一系列国家级甚至世界级暗物质探测的实验探测计划，譬如DAMPE、PandaX、CDEX、ADMX和CAST等。然而，尽管科学家们做出了不懈的努力，目前还没有找到暗物质存在的直接证据。

彭新华研究组利用气态氙和铷原子混合蒸气室，发明了具有超高灵敏度和“桌面式”的新型核自旋量子测量技术，实现了迄今为止国际最佳灵敏度的核自旋磁传感器。该工作报道了一种全新的自旋放大效应：当外界待测磁场的频率接近氙原子的塞曼频率，待测磁场的强度可以被氙原子显著放大至少100倍[如图1左]。这种新的放大机制完全不同于以往的机制，具有多方面的突出优势：首先该技术利用激光先极化铷原子蒸气，再利用铷与气态氙原子的自旋交换碰撞，从而将氙原子的核自旋极化。相比传统热极化方法（氙核自旋极化度仅仅为～10-6），本研究利用光极化的方法获得了接近0.3的自旋极化度，远超过传统方法。其次，传统方法采用对氙原子进行外部探测，而本研究通过铷原子与氙原子的随机自旋交换碰撞，就可以将氙原子的信号高灵敏读出，极大的简化了装置体积和复杂度。基于该物理机制，研究人员设计出了第一台磁场量子放大器，并命名为“spin-based amplifier”（“自旋放大器”），该放大器具有超低磁场本底噪声，是极佳的磁场放大设备。进一步，研究人员将这台自旋放大器与团队已发展的原子磁力计相结合，将原子磁力计的磁探测灵敏度提高了100倍，达到fT灵敏度水平（1fT=10-15T）[如图1右]。

量子精密测量技术可以实现超高灵敏度的磁场探测，这也为暗物质搜寻提供了变革性手段。大量的理论预测暗物质与原子核会发生极微弱的相互作用，这种相互作用相当于在原子核自旋上施加一个微小磁场（又称为“赝磁场”）。利用超灵敏磁场探测装置可以检验这一微小的赝磁场，以此来寻找暗物质粒子存在的迹象。彭新华研究组巧妙地利用自旋放大器来放大暗物质产生的“赝磁场”，大大提高了暗物质的搜寻灵敏度，完成了feV-peV低能区暗物质的实验直接搜寻。获得的暗物质与原子核耦合强度界限优于国际最佳界限（由CASPEr组2019年公布）至少5个数量级，并且首次突破宇宙天文学界限（SN1987A），如图2所示。相比传统大型暗物质科学装置，整个仪器设备只需桌面尺寸的空间布局。

三位审稿人均高度评价该工作“I think the result is of great interest for the larger physics community”（这个结果将引起物理学家的广泛兴趣）“ This is a significant advance for the field”（轴子搜寻领域的重要进展）“the result is original and will be of interest for physics community working in axion detection and astrophysical observations.”（该原创工作将激发轴子搜寻和天文观测领域的广泛兴趣）。这一成果充分展示了量子精密测量技术与暗物质探测的交叉融合，有望激发宇宙天文学、粒子物理学和原子分子物理学等多个基础科学的广泛兴趣。

彭新华研究组一直致力于核磁共振体系量子信息处理的实验研究，在量子计算，量子模拟，量子控制，量子精密测量等重要课题方面开展了系统性的研究，取得了一系列对推动学科领域发展有实质性贡献的研究成果。研究组经历了从依赖于商品化仪器，到自主搭建量子精密测量平台，以此为世界科技前沿难题提供“独辟蹊径”的解决思路。特别是近期将量子精密测量技术用于搜寻新粒子，取得了多项国际领先水平的成果（如图3），提升我国在新粒子探测领域的国际地位。

图3：研究历程以及取得的重要研究进展

中国科学院微观磁共振重点实验室江敏副研究员和苏昊文博士研究生为该文共同第一作者，彭新华教授为该文通讯作者。该研究得到了科技部、国家自然科学基金委、安徽省的资助。

论文链接：

https://doi.org/10.1038/s41567-021-01392-z

中国科大发现新型强金属-载体相互作用推进非贵金属高效催化

近日,中国科学技术大学张颖课题组在强金属-载体相互作用（SMSI）催化剂方面取得重要进展。研究者首次发现了强金属磷化物-磷酸盐载体相互作用（SMPSI），提出了解决非贵金属催化剂的催化活性、选择性、稳定性和抗氧化能力较差，特别是在水相和酸性环境中应用受限的全新方案，拓宽了SMSI的应用范围。相关研究成果于2021年11月17日以“Strong Metal Phosphide-Phosphate Support Interaction for Enhanced Non-noble Metal Catalysis”为题发表于国际学术期刊《Advanced Materials》。

负载型纳米颗粒催化剂作为多相催化剂在工业催化中得到了广泛的研究。强金属-载体相互作用（SMSI）是设计高性能负载型催化剂的关键机制之一。SMSI通常具有多种功能，包括增加金属的分散性、促进电荷转移等，通过对纳米粒子进行几何和电子修饰，最终达到调节其催化活性和稳定性的目的。然而，经典SMSI催化剂仍受制于活性与稳定性无法兼得，含水反应中覆盖层不稳定，以及工业化应用中利用价廉的非贵金属来替代昂贵的贵金属催化剂进行反应的挑战等。因此，高效SMSI相关新发现或者新见解对负载型催化剂的创新和应用具有重要意义。

针对这一挑战，张颖课题组发现的新型强金属磷化物-磷酸盐载体相互作用（SMPSI）可以为解决以上问题提供新的思路。形成SMPSI的关键是载体上P物种的活化，这导致金属磷化物纳米颗粒（NPs）和载体迁移到NPs形成的核壳纳米结构同时生成。金属磷化物的封装状态和电荷转移类似经典SMSIs，并且可以进行定向调控。Co2PL/MnP-3的强相互作用不显著增强了非贵金属的抗氧化和抗酸能力，催化剂长时间空气暴露或在高浓度酸性底物或产物中仍能表现出优异的催化活性和稳定性。可将多种平台化合物（如顺酐、马来酸、富马酸、柠康酸、乙酰丙酸、香草醛、肉桂醛、葡萄糖、木糖以及蔗糖等）100%氢化为相应的增值精细化学品，表现出优于贵金属Pt/C和Pd/C催化剂的活性和稳定性。这种SMPSI结构可以扩展到其他体系，如Ni2PL/Mn3(PO4)2、Co2PL/LaPO4和CoPL/CePO4。本研究为先进的非贵金属催化剂的合理设计提供了新的途径，并为NPs和载体之间的强相互作用引入了新的范例，也使高效稳定的非贵金属催化剂替代贵金属用于苛刻的工业化反应成为可能。

论文第一作者是中国科学技术大学硕士研究生陈泽民,通讯作者是中国科学技术大学张颖副教授。该研究获得了国家重点研发计划、国家自然科学基金面上项目等项目的资助。上海同步辐射中心为该项研究提供机时。

文章链接：

https://doi.org/10.1002/adma.202106724

来源：中国科学技术大学新闻网