科大资讯 | 近期科研成果速览（四月下）

我校郭光灿院士团队在硅基自旋量子比特操控研究中取得重要进展。该团队对集成微磁体的硅基量子点进行研究，发现了自旋量子比特操控的各向异性：通过改变外加磁场与硅片晶向的相对方向，可以将自旋量子比特的操控速率、退相干速率和可寻址性进行同时优化。该研究成果发表在《Physical Review Applied》上。

硅基自旋量子比特以其超长的量子退相干时间，以及与现代半导体工艺技术兼容的高可扩展性，成为量子计算研究的核心方向之一。

研究人员发现，当施加的面内磁场到达某一特定角度时，操控速率可以保持较高的水平而电荷噪声引起的退相干被大大抑制，而量子比特的寻址特性又被维持在一个较高的水平。这一特点说明通过旋转磁场方向，硅基自旋量子比特的操控速率、退相干时间和可寻址性得到同时优化。研究人员同时发现，在旋转磁场的过程中，面内横向磁场梯度起到了不可忽视的作用，这也暗示了旋转磁场方向对研究含有微磁体的自旋轨道耦合——合成自旋轨道耦合的丰富物理内涵具有重要意义。

该工作得到了审稿人的高度评价：“能够理解并且预测微磁体器件的最优工作点是非常有用的，这些结果对这个领域来说是非常有价值的贡献”。

我校郭光灿院士团队在光力混合系统中通过级联光子-声子耦合实现了对于光力相互作用的耗散调控，并增强了光力体系的冷却效果，该研究成果发表在《Physical Review Letters》。

利用腔增强的光与物质的相干相互作用可以得到许多新颖的光子器件。混合系统兼具不同体系的优势，因此在量子界面、基础物理、非线性光学等领域发挥着越来越重要的作用。在混合系统中，如何有效地控制相干耦合，包括增强或抑制某些特定的物理过程，仍然是一个挑战。

针对腔光力混合系统，研究组利用耗散调控实现了对于光子-声子相干相互作用这一物理过程的有效控制，从而增强了激光冷却机械振子的效果。实验中首先通过布里渊散射过程将辅助高频声子与目标光学模式耦合，实现对光学模式线宽的有效调节，调节范围超过一个数量级。实验结果不仅展示了光力系统中的级联非线性耦合，还验证了混合系统中控制光与物质相干相互作用的新方法。同时，该方案可以拓展至其它光学非线性效应，比如控制非线性倍频过程或抑制拉曼激光。

我校郭光灿院士团队在光量子存储领域取得重要突破。该团队李传锋、周宗权研究组将相干光的存储时间提升至1小时，大幅度刷新了2013年德国团队光存储1分钟的世界纪录，向实现量子U盘迈出重要一步。该成果4月22日发表在国际知名期刊《自然·通讯》上。

光的存储在量子通信领域尤其重要，这是因为基于光量子存储可以构建量子中继，从而克服信道损耗建立起大尺度量子网络。另一种远程量子通信的解决方案是量子U盘，即把光子存储到超长寿命量子存储器（量子U盘）中，然后通过直接运输量子U盘来传输量子信息。考虑到飞机和高铁等的速度，量子U盘的光存储时间需要达到小时量级。

李传锋、周宗权研究组长期致力于基于稀土离子掺杂晶体的固态量子存储实验研究。近期课题组结合理论预言首次实验测定掺铕硅酸钇晶体在ZEFOZ磁场下的完整能级结构。在此基础上，研究组结合了原子频率梳（AFC）量子存储方案以及ZEFOZ技术，成功实现了光信号的长寿命存储。实验中光信号首先被AFC吸收成为铕离子系综的光学激发，接着被转移为自旋激发，经历一系列自旋保护脉冲操作后，最终被读取为光信号，总存储时间长达1小时。通过加载相位编码，实验证实在经历了1个小时存储后，光的相位存储保真度高达96.4 ± 2.5%。这些结果表明该装置具有极强的相干光存储能力以及用于量子态存储的潜力。

该工作将光存储时间从分钟量级推进至小时量级，满足了量子U盘对光存储寿命指标的基本需求。接下来通过优化存储效率及信噪比，有望实现量子U盘，从而可以基于经典运输工具实现量子信息的传输，建立一种全新的量子信道。近期的理论研究表明，量子U盘在全球卫星量子通信、甚长基线干涉天文测量系统等领域均具有广泛应用。

该工作得到审稿人的高度评价：“该成果是一个巨大的成就（a huge achievement）。”

我校郭光灿院士团队在原子系综中实现了51.5dB的非互易隔离，是目前无磁非互易领域中的最高隔离比，并且首次探讨了非互易器件中量子噪声问题，证明了该新的全光非互易效应不会引入额外的量子噪声。该成果发表在《自然•通讯》上。

该研究组利用圆偏泵浦光将气室中的原子极化到一个特定的磁自旋态上，对不同偏振的光产生不同的吸收和色散，实现了约30dB的隔离比。在此基础上，研究组加入了一个行波腔，大幅增强了光与原子之间的相互作用，最终将隔离比提高到了51.5dB，成功地制备出了基于原子系综的非互易介质。这套系统有较好的鲁棒性，对于外界弱磁场的干扰、泵浦光频率和功率的浮动等均不敏感，具有实际应用的价值。

此外，该研究组首次在非互易领域中提出并回答了非互易器件本身是否会产生噪声光子的问题。他们通过测量相干光和伪热光通过该系统前后的二阶相干函数的改变，证明该系统并不会产生额外的量子噪声。该成果在非互易领域开辟出了一个新的方向，并在实际应用中具有重要意义。

近期，核探测与核电子学国家重点实验室安琪教授、曹平副教授科研团队与中国科学院深海科学与工程研究所联合研制的我国首套深海伽玛核辐射探测谱仪在南海成功完成海试，并在深海海底取得了重要科学数据。

中国科大研究团队首先在深海所附近的海域进行了浅海试验，将谱仪布放在浅海海底并采集浅海伽玛辐射数据，对谱仪的各项功能进行了反复验证，对深海海试过程进行了详细的模拟和演练。

中国科大博士研究生袁建辉携带谱仪设备参加海试航次，开启为期一周的海试行程。在在本次海试中，两台伽玛谱仪均实现了在深海海底对伽玛辐射的原位测量，取得了深海环境相关重要科学数据，本次海试取得圆满成功。

核辐射探测技术作为一种非破坏性的分析方法，它能够精确测量和理解物质的构成，已被成功应用到地面太空及深地深空等领域的大科学装置及实验平台。在深海领域可利用该方法研究待测物质的元素组成及微观结构，有助于加深对深海环境与资源的深入理解。

近期，中国科学技术大学蒋彬教授课题组在NO分子从固体表面散射过程的振动传能动力学研究方面取得一系列重要进展，最新成果发表于《物理评论快报》上。

由于散射过程中涉及到分子与表面声子与电子之间大量自由度之间的能量交换，因此开展第一性原理的分子动力学理论研究面临很大的挑战。蒋彬教授课题组通过在NO/LiF(001)和NO/Au(111)体系全维势能面上的绝热动力学模拟，他们发现高振动激发的NO分子在Au(111)表面上可以到达解离的过渡态区域，分子振动会被明显“软化”，从而使得振动能量可以在很大程度上能够转移到平动或转动自由度，进而耗散到表面声子中（图1）。对于纯排斥的NO/LiF(001)势能面上这种能量传递的通道是禁阻的，此时分子的振动自由度几乎不与其他自由度产生耦合（图2）。该研究结果不仅能够很好地解释NO分子在Au(111)和LiF(001)表面散射的实验结果，更是揭示了势能面形貌和分子初始状态对于气体-表面体系散射过程的振动能量传递过程有着重要的影响，这一系列的发现对于理解气体-表面体系的能量传递过程有着重要的意义。

近期，我校计算机学院陈小平教授团队在机器人领域知名期刊《The International Journal of Robotics Research》(IJRR)在线发表了题为“Hierarchical Control of Soft Manipulators towards Unstructured Interactions”的研究论文。

陈小平研究团队突破了刚性机械手臂的局限性，利用软体机器人手臂解决了不确定性场景中机器人的操纵问题。从人执行操纵任务的行为方式中汲取灵感，利用软体机器人手臂本质柔顺性，展示出了一种全新的机器人与环境交互的范式，使得用软体手臂可以像人类一样轻松完成生活中各种任务，不需要提前对环境进行精确建模，也不需要力传感器精确的感知环境接触力。甚至在执行任务过程中被人为“捣乱”也不影响完成任务。

目前大多数软体机器人使用比较软的柔性材料作为主体，比如硅胶。这种机器人受限于材料特性，很难做到大负载。象鼻是自然界中即柔顺灵活又很有力气的软体器官。针对上述问题，研究团队于2013年提出了一种蜂巢气动网络结构，并基于这种结构设计制备了像象鼻一样兼具灵活度和大负载能力的软体手臂。“蜂巢气动网络软手臂”由于具有本质柔顺性和连续变形特性，在智能制造、医疗康复、家庭服务等领域有巨大的研究价值和广泛的应用前景。