在2011年终总结教授大会上，中国科学技术大学物理学院投票评选出了该院2011年度十大科研进展，此次评选活动旨在促进全院的学术和科研工作交流。

　　一、碱金属掺杂菲中发现5开尔文温度超导电性

　　　陈仙辉教授研究小组在碱金属掺杂菲中发现了5开尔文温度的超导电性，在有机超导体领域取得重大突破，通过在具有π分子轨道的菲（菲是具有三个苯环的稠环芳香烃）中掺入碱金属实现了5开尔文温度的超导电性。同时发现通过施加1万个大气压的压力使得超导转变温度有20%的提高，并且超导体具有局域磁矩，这些结果说明这种新发现的超导体可能具有非常规的超导电性。这类超导体的发现对非常规超导体机理的研究是非常有意义的。稠环芳香烃可以由不同数量的苯环组成，有一个很大的家族，其超导电性的发现表明又一类新的有机超导体家族诞生。这类新超导体的发现开辟了具有π电子稠环芳香烃超导体的领域。

　　二、验证新形式的海森堡不确定原理

　　　海森堡不确定原理限制了我们同时得到两个互补物理量（比如位置和动量）输出结果的精度，它是量子力学的一个本质特征，人们利用熵的不确定关系来刻画这种量子特征。最近理论研究表明，当观测者在拥有被测粒子"量子信息"的情况下，这种"经典"熵的不确定关系不再成立。在这种情况下，被测粒子测量结果的不确定度，依赖于被测粒子与观测者拥有的另一个粒子（存储量子信息）的纠缠度的大小。当它们处于最大纠缠态时，两个不对易的可观测量可以同时被准确测量，这极大地推广了先前的不确定关系。
　　李传锋教授研究组在光学系统中制备出一种特殊的纠缠态即贝尔对角态，其中一个光子作为待测光子，另一个光子作为存储待测光子量子信息的辅助粒子。该研究组将辅助光子存储在一个自行研制的所谓自旋回声式的量子存储器中，存储时间可以达到1.2 us，由此实现了纠缠辅助的不确定关系的实验验证。他们的实验给出了两个可观测量输出结果不确定度的下界，确实违背了"经典"的不确定关系，并验证了新形式的熵的不确定关系。
　　新形式的不确定关系表明，不确定原理不仅依赖于被测量的物理量，而且还同观测者紧密相关。也就是说，单独测量某个量子体系的两个不对易的力学量，不可能同时获得精确的测量值，其不确定度由这两个力学量本身所决定。这就是所谓的"经典"的不确定关系。但如果利用纠缠事先将该体系的量子信息存储在另一个量子体系中，情况就迥然不同，后一个量子体系作为观测者有可能同时精确地获得两个不对易力学量的测量值。这个结果将有助于人们更深刻地理解量子力学，同时对量子密钥传输的安全性证明也有着重要意义，并有望在量子工程学中获得应用。

　　三、固态量子计算中退相干研究取得新进展

　　　杜江峰教授研究小组和香港中文大学刘仁保教授合作，在金刚石N-V空位色心构成的单电子自旋体系中观测到了反常退相干现象。反常退相干现象的存在显示出电子自旋周围环境的量子特性以及可控制性。该实验结果标志着在利用量子噪声进行量子信息处理方面迈出了重要的一步。
　　由于环境会对量子系统发生耦合干扰，使得系统的相干性不可避免地流失。这一在量子信息处理极为重要的效应，被称为退相干。根据经典的噪声理论，环境给电子自旋带来的影响被视作经典的随机涨落。根据这一经典模型可以得出如下结论：噪声越强，系统的退相干越快。这一模型已经成功地解释了各种体系中的退相干过程。但是上述经典模型是基于以下假设：环境的尺度相比于中心自旋足够大，这样来自中心自旋对于环境的反作用是可以忽略的。然而随着当代量子科学的发展，相对于中心自旋体系，外界环境的尺度已经越来越小。在这种情况下，必须要采用基于量子力学的模型来处理退相干效应。刘仁保教授等人的理论计算预言，在周围含有大量核自旋的单电子自旋体系中，退相干现象不能用经典噪声理论解释。

　　　杜江峰教授研究组利用金刚石超纯样品中的N-V空位色心构成的三能级体系，研究其退相干现象。在这一体系中，中心电子自旋和周围的数百个碳十三核自旋相互耦合。而|1> 和|-1>叠加态（二阶相干项）和环境的耦合强度是两倍于|1> 和|0>叠加态（一阶相干项）与环境的耦合。在常温下，由于核自旋的随机朝向带来的热涨落会导致系统很强的退相干效应。此时这一退相干过程是经典的。为了看到非经典的退相干过程，研究人员利用动力学解耦技术消除经典噪声。随后观察到的现象令人惊奇：随着动力学解耦阶数的增加，二阶相干项的相干时间比一阶相干项增长得更快，最后二阶项的相干时间超过了一阶项。在未使用任何拟合参数的情况下，理论数值模拟得到数据和实验数据符合得非常好。
　　实验观测到的反常量子退相干现象表明了电子自旋周围碳十三核自旋噪声的量子特性。由于核自旋噪声和中心自旋相互作用的存在，在利用动力学去耦技术翻转中心电子自旋时，核自旋也被相干地控制了。这一研究表明，微观尺度的外界环境所表现出来的量子特性，并非是一种无用的噪声，而是可以用来进行量子信息处理的有用资源。相关工作发表在《自然—通讯》杂志上。

　　四、基于测量的关联空间的量子计算

　　　采用线性光学器件配合辅助光子，利用单光子探测器进行后选择测量能够实现普适量子计算，它又分为传统的电流式量子计算和基于测量的一次性量子计算。在一次性量子计算中，潘建伟教授研究小组首先制备出高度纠缠的多量子比特态。当进行量子计算时，只需要根据想实现的量子算法在此纠缠态上进行一系列的单量子比特测量即可。但与此同时，此纠缠态也将被破坏，所以这种计算机被称为一次性或单向量子计算机。该工作研究制备可用于量子计算的簇态和关联空间纠缠态，并将探索把他们应用于量子计算当中，并基于多比特关联空间非簇态实现单比特量子门和单向双比特量子门，并实现在关联空间中的Deutch算法演示。

　　五、实现对环境的调控：从马尔可夫到非马尔可夫的突变

　　　具有马尔可夫特性的环境会不可避免地破坏量子系统的量子相干性，它是实现量子计算和其他量子信息功能的主要障碍。这种情况下量子信息单向地流失到环境中去，而环境馈还给系统的都是噪声。但如果环境是非马尔科可夫性的，那么它就能将量子信息返还回量子系统，这样的环境可以用来构造量子信息存储器。然而，鉴于环境具有复杂的自由度，人们很难实现对环境的调控，使之从马尔可夫环境变成为非马尔可夫环境。我们首次实现了对环境的这种调控。
　量子信息实验室郭光灿教授研究小组在实验上实现开放量子系统动力学行为的调控，观察到了开放系统的马尔科夫过程到非马尔科夫过程的突变现象。这一成果开创了非马尔科夫过程定量研究的先河，将会对开放系统的研究产生重要影响。该成果被《Nature Physics》的《News and views》栏目以"Environmental effects controlled"为题目报道。

　　六、多光子纠缠和干涉

　　2011年9月20日，潘建伟教授受邀为《现代物理评论》（Rev. Mod. Phys.）誊写的关于多光子纠缠和干涉的综述论文被正式接收发表。该论文是由中国大陆科学家首次在该期刊上以中国为第一单位发表实验综述论文。《现代物理评论》是国际物理学界最权威的综述性评论期刊，旨在对当今物理研究的重大热点问题做历史总结、现状分析和趋向预测，其2010年的影响因子超过50。潘建伟等的综述论文长达70多页，文章简要回顾了量子物理和量子光学的发展，系统阐述了多光子纠缠的原理、制备和操纵技术，深入讨论了其在量子力学基本问题的检验、量子通讯和量子计算方面的广泛应用，并展望了量子信息的未来发展趋势。
　　多光子干涉显示出了与经典现象决然不同的―非经典‖现象。从量子力学的基本原理的测试，到量子信息处理，多光子干涉都有着广泛的应用。尤其在量子信息处理方面，迄今为止相当多的已经实现的关键性实验都是基于对多光子纠缠态的操控的。该论文从理论以及实验的角度回顾了多光子干涉快速发展的历程。本文讨论的重点包括如下内容：多种形式的光子纠缠的产生，量子力学完备性测试（特别是定域实在论的违背），量子通信中的量子信息协议（例如量子隐形传态，纠缠纯化和量子中继器），以及线性光学量子计算。

　　七、成功制备八光子纠缠态，刷新世界纪录

　　　李传锋、黄运锋教授研究组成功制备出八光子纠缠态，刷新了世界上多光子纠缠的制备和操作数目记录，入选2011年国内十大科技新闻。
　　量子纠缠态是实现各种量子信息过程的基础。由于光子具有抗干扰能力强、传播速度快等优点，多光子纠缠态的制备和操控一直是量子信息领域的研究重点。目前世界上普遍利用晶体中的非线性过程来产生多光子纠缠态，由于此过程是概率性的，因此产生多光子纠缠态的难度会随着光子数目的增加而指数增大。在此工作之前世界上报道最多能制备出六光子纠缠态。研究人员对已有的纠缠光源制备方法进行改进，利用特殊切割的非线性晶体制备出高亮度的双光子纠缠源。新的方法能够把产生的光子对的锥束压缩成一个很小的圆斑，极大地提高了收集效率。他们利用单模光纤收集技术克服了光路稳定性难题并提高了双光子的纠缠度，然后利用偏振分束器实现三个门操作把双光子纠缠态级联成八光子纠缠态，并利用自主研制的十六通道符合分析仪，有效克服了八光子纠缠态的探测分析难题。最后，研究人员通过采用纠缠目击者技术验证了八光子的纠缠特性，并进一步利用产生出的纠缠态完成了八方量子通信复杂性实验。实验结果超越了经典界限，展示了量子纠缠的优越性。
　　该项成果标志着人们对多光子纠缠的制备与操控达到前所未有的八光子水平，将在量子通信网络、基于纠缠的量子计算等量子信息过程中获得重要应用，同时推动了量子纠缠的特性与分类等基本物理问题的研究。

　　八、相对论重离子对撞机STAR实验捕获到最重反物质原子核

　　　近代物理系STAR合作组成员参与了这项工作，其中黄柄矗博士为这篇文章的主要作者之一。继2010年发现第一个反物质超核（Science 328 (2010) 58），STAR合作组又在2011年探测到氦核的反物质粒子——反氦4核。这种新型粒子又名反阿尔法粒子，是迄今为止所能探测到的最重的反物质原子核。该成果于2011年4月24日在NATURE LETTER上在线发表。反氦-4很可能是未来很长一段时间内所能探测到的最重反物质原子核，因为下一个更重的稳定反物质原子核产生的可能性是反氦-4的百万分之一，而以现在的加速器技术几乎不可能实现。该发现对很多学科包括寻找宇宙中的新的物理现象都有着重要的意义。在该反物质中，该校研究人员研发、中美联合研制的飞行时间TOF探测器起到了关键作用。 STAR合作组发言人许怒教授说:"在反氦4核的发现中，STAR的TOF起了不可替代的作用。在TOF的研发、建造过程和数据分析中，中国科技大学的研究生和老师都起了关键性的作用。"

　　九、一维电荷密度波拓扑孤子激发态的原子尺度表征

　　　一维材料因为其丰富的物理和潜在应用而得到广泛关注。由于一维受限而增强的量子序耦合导致引人瞩目的量子效应，如电荷密度波（CDW）。除了其基态行为，一维CDW更有趣的是其元激发，包括相位子、振幅子和孤子。作为一种独特的非线性拓扑元激发，孤子是分开能量简并的两个一维CDW相的局域相反转边界，并可具有自旋-电荷反转的特性。值得一提的是，人们对孤子作为一维有机聚合物高导电率的有效载流子的研究是导致导电聚合物获得2000年诺贝尔化学奖的重要基础。
　　以往对孤子的研究主要是利用系综平均的手段，人们对单个孤子的结构和行为尚不明确，因此在原子尺度对孤子进行定量研究仍然是巨大挑战。曾长淦教授研究组和他的合作者们通过扫描隧道显微镜（STM）实验并结合理论计算，对Si(111)表面In原子链中的孤子结构、能量与动态行为进行了系统研究，确定了其精确原子结构。通过测量不同温度下孤子数密度以及孤子动态行为得到了孤子的生成能和激活能。此外，他们还利用STM针尖施加的局域电场对孤子的扩散行为进行了调控。这一研究表明不但能在原子尺度研究CDW基态，还能进一步探索其拓扑激发在原子尺度的行为。

　　十、快粒子对撕裂模不稳定性的影响

　　蔡辉山、王少杰、李定教授等人利用电阻磁流体力学理论和漂移动力学理论相结合的混合模型，研究了快粒子与撕裂模不稳定性的相互作用。发现通行快离子对撕裂模不稳定性的影响依赖于通行方向，且与快离子的动量有密切关系。通行离子通过提供额外的动量沉积或来源来影响撕裂模稳定性。对于正向通行离子，一定动量的快离子能抑制撕裂模不稳定性；对于反向通行离子，则会提高撕裂模的增长率。由此，他们提出了利用快离子控制撕裂模不稳定性的方法。快粒子物理行为与撕裂模不稳定性是国际热核聚变实验堆（ITER）计划实现高性能自持"燃烧"等离子体和稳态运行的两个关键物理问题。该问题的研究，有助于了解了快离子影响撕裂模不稳定性的物理机制。这对进一步探索ITER以及未来的托卡马克聚反应堆中快粒子对撕裂模不稳定性的影响和控制方法有重要的意义。

　　（资料来源：中国科技大学物理学院，2012-01-11）