物理学院陈学文团队在微纳集成固态量子系统方面取得重要进展

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物理学院陈学文团队在微纳集成固态量子系统方面取得重要进展

现代以来，我国在科技方面取得了哪些成就？有哪些进步啊？

请列举近年我国在科技方面取得重要成就。

2020中国科学十大进展发布，具体在哪些方面取得进展？

一、物理学院陈学文团队在微纳集成固态量子系统方面取得重要进展

新闻网讯近日，物理学院陈学文教授带领的量子纳米光子学团队与浙江大学光电学院时尧成教授合作，在微纳集成固态量子系统方面取得重要进展，实现硅基光子结构和单分子量子系统的可控微纳集成，获得共振激发下芯片上高纯度全同单光子的产生、波导耦合、路由和干涉分束，信号背景比例超过3000:1，量子跃迁长时间稳定、线宽保持傅里叶变换受限。该成果以“Photonic-circuited resonance fluorescence of single molecules with an ultrastable lifetime-limited transition”为题发表在《自然·通讯》。我校物理学院任鹏龙博士、韦尚明博士和浙江大学光电学院刘卫喜博士为该论文共同第一作者；物理学院博士生林树培、田朝华和黄泰临作出重要贡献；我校物理学院陈学文教授、唐建伟副教授和浙江大学光电学院时尧成教授为该论文的共同通讯作者；华中科技大学为第一通讯单位。

图a.氮化硅微纳结构与掺有DBT单分子的蒽微纳晶片混合集成，构成量子平面光路；b.DBT单分子偶极取向与波导对准，在共振激发下辐射高纯度全同单光子耦合入波导；c.共振荧光的单光子统计特性；d.共振荧光的线宽；e-f.单分子光谱在激光照射下保持长时间稳定性和傅里叶变换受限的线宽。

单量子系统的共振荧光是一个二能级系统在共振激发下的发光，可提供不可区分单光子（光量子比特）和实现对物质量子比特的相干高保真操控，支撑着许多量子信息处理方案。现实应用要求量子体系具有高可扩展性和稳定的物理实现平台，因此期望将量子系统混合集成到半导体光子芯片上。然而，混合集成却面临着几个严峻的挑战，包括固态量子体系在空间分布、跃迁频率和偶极取向等方面的随机性，混合集成系统中异质材料和非均一界面在共振激发下的强散射背景，以及半导体纳米加工工艺所造成的量子体系跃迁频率随时间的快速抖动(jitter)与缓慢漂移(diffuse)等。特别是后者，使得在芯片上获得长时间稳定的全同单量子体系和不可区分单光子成为很大的困难。近年来，人们发现掺杂在有机结晶固体基质中的多环芳香烃类单分子，例如蒽晶体中的dibenzoterrylene (DBT)分子，在低温下具有稳定的、线宽傅里叶变换受限的0-0声子线辐射（0-0ZPL）等优点。然而，单分子体系的微纳集成，当前也存在着一系列困难，表现在如何实现有机材料与无机半导体集成光子结构的无缝集成、如何克服有机分子偶极取向的随机性、以及避免半导体纳米加工量子材料造成的跃迁频率抖动与漂移、抑制与分子发光同频率的激发光散射背景等。

陈学文带领的量子纳米光子学团队及其合作者们基于前期研发的掺杂DBT分子的蒽微纳晶片(Phys. Rev. Applied 13, 064023 (2020))和成熟的氮化硅基(Si3N4)集成光子平台，实现了有机单分子与无机半导体光子结构的精准微纳集成，成功应对了以上挑战。如图a所示，蒽晶片厚度100纳米左右，横向尺度在100微米左右，具有规则的平面六角几何形状，指明晶轴方向。在蒽晶体中，掺杂其中的DBT分子以与蒽晶轴成固定方向的方式嵌入在晶体中，形成一个个孤立的量子系统，其偶极取向可以由蒽晶片棱角方向确定，如图b。蒽晶片具有良好的机械稳定性，作者们利用微纳操控和组装技术，将蒽微纳晶片与氮化硅光路实现基于范德华力的取向精准可控的键合，形成混合集成光路。

通过测量得到的激发光谱可以看出，掺杂在蒽微纳晶体中的大量的DBT分子与波导之间发生了耦合，单个DBT分子具有极窄的0-0ZPL线宽，展现出极佳的单光子辐射特性。抑制同频率的激发光背景是共振荧光实验的关键难点之一，因为这意味着需要将激发光背景抑制千万倍以上。该团队利用平面光子芯片中的波导结构，运用实空间滤波、Fourier空间滤波、正交偏振消光等技术，得到了高纯度的共振荧光信号，波导内共振荧光信号背景比能够达到3000:1。接着，研究团队基于平面光子芯片中的3dB多模干涉耦合器（MMI），实现了片上分光片外探测，图c展示了共振荧光的二阶关联统计特性，结果显示共振荧光具有优异的单光子辐射特性。测量得到共振跃迁的线宽在40MHz左右，同时通过分析二阶关联函数的时间增长特性，研究团队证实DBT分子跃迁的线宽是傅里叶变换受限的（94%），即具备全同单光子的辐射能力。

固态单光子源在量子信息技术应用中，除了是否具有傅里叶变换受限线宽的能级跃迁，产生不可区分的单光子外，跃迁频率的稳定性（即光谱稳定性）也是极其重要的特性之一，关系到芯片上体系的可扩展性。研究团队使用的混合集成方案，波导材料选用了宽带隙的Si3N4，其加工工艺成熟，表面粗糙度能够控制在很低的水平，表面起伏不超过0.2 nm；在量子材料方面，蒽晶体为DBT分子提供了稳定的基质环境，同时蒽晶体自然生长方式保证了晶片具有平整表面，为DBT单分子提供了稳定的电学和光学环境支撑，同时避免了半导体加工包含有量子系统的有机材料。这些条件成就了蒽微纳晶体-Si3N4集成体系中DBT单分子优异的长时间频率稳定性，图e-f展示了共振激发下长时间（2小时）光谱稳定性。

该工作展示一种微纳集成固态量子系统和应用的物理实现平台，具备以下鲜明特征：(1)实现了固态量子辐射体“偶极取向”可控的微纳集成，且集成密度达1 emitter/ 20 nm，在一定程度上解决量子系统空间随机分布取向不可控的困难；(2)微纳集成的固态量子系统，具有线宽傅里叶变换受限、且跃迁频率长时间（数小时）稳定，克服了异质集成和半导体纳米加工导致的跃迁频率快速抖动或缓慢漂移——这一普遍长期存在的困难；(3)演示了纯度极高的共振荧光单光子的片上产生、波导输运与干涉分束，测量表明“波导中”共振荧光信号背景比率超过3000:1，为实现片上高保真光子逻辑门奠定基础。该架构也能够较好地兼容诸如量子点、金刚石色心等其他固态量子体系。因此，这项工作为混合集成量子光芯片研究领域拓展了新体系、展现了可扩展大规模集成全同量子系统的重要前景。

这项成果得到了国家自然科学基金（11874166, 12004130, 92150111,61922070, 6213000026）、华中科技大学和中央高校基本科研专项资金的资助。

论文链接：https:///articles/s41467-022-31603-x

来源： 华中科技大学新闻网

一、现代以来，我国在科技方面取得了哪些成就？有哪些进步啊？

1.5G领跑世界

从4G快人一步，到5G领跑世界。当流量社会到来，网速就是效率。数秒钟完成一部高清大片的下载，直播更是“分分秒秒无卡顿”。预测是到2020年中国5G将实现商业化推广，到2025年中国5G用户数量有望达到亿级规模。

2.北斗卫星导航系统

目前，国家北斗精准服务网已覆盖全国317座城市，在我国智慧城市建设中广泛应用。到2018年前后，我国将完成北斗三号全球组网。18颗卫星的发射，率先为“一带一路”沿线国家提供基本服务；到2020年将形成全球服务能力，建成世界一流的全球卫星导航系统。

3.量子卫星

2017年8月10日凌晨，“墨子号”在国际上首次成功实现了从卫星到地面的量子密钥分发和从地面到卫星的量子隐形传态。将“绝对保密”的量子通信从理论向实用化再次推进了一大步，并为我国未来继续引领世界量子通信技术发展奠定坚实基础。

4.国产大飞机

2017年5月5日，国产大型客机C919在上海浦东国际机场圆满实现首飞！作为我国首次按照国际适航标准研制的150座级干线客机，C919不仅攻克了100多项核心关键技术，还使我国掌握了民机产业5大类、20个专业、6000多项民用飞机技术。

C919首飞成功标志着我国大型客机项目取得重大突破是我国民用航空工业发展的重要里程碑。

5.超级计算机

2017年6月19日，基于国产众核处理器的“神威·太湖之光”超级计算机以每秒12.5亿亿次的峰值计算能力以及每秒9.3亿亿次的持续计算能力，再次斩获世界超级计算机排名榜单TOP500第一名。

本次夺冠也实现了我国国产超算系统在世界超级计算机冠军宝座的首次三连冠，国产芯片继续在世界舞台上展露光芒。

6.大口径射电望远镜

2016年7月3日，直径500米、迄今全球最大的“锅盖”在贵州喀斯特天坑中架设完成。

这个500米口径球面射电望远镜，是世界上最大和最具威力的单口径射电望远镜。它被称为“天眼”，用来倾听宇宙深处声音、观测宇宙奥秘。

参考资料：

二、请列举近年我国在科技方面取得重要成就。

就举2017年的我国在科技方面取得重要成就。

一、具有完全自主知识产权的中国高铁列车“复兴号”服役。

由中国铁路总公司牵头组织研制、具有完全自主知识产权、达到世界先进水平的中国标准动车组“复兴号”，在京沪高铁正式双向首发。在高速动车组254项重要标准中，中国标准占84%，标志着中国铁路成套技术装备已经走在世界先进前列。

二、研制和成功发射首颗量子卫星“墨子号”。

中国科学院联合研究团队宣布成果，他们将量子纠缠分发的世界纪录从百公里级提高到千公里级，并以每秒1对的速度在两个地面站间建立量子纠缠。中国科学家用严格的科学实证，回答了爱因斯坦的“百年之问”。，改变了爱因斯坦“百思不得其解”的量子理论“还不完备”一说。以后中国的通信，将是绝对的保密了。

三、成功发射首颗X射线天文卫星“慧眼”。

“墨子号”并不孤单。我国科学家在浩瀚宇宙架起了一台属于中国人自己的真正意义上的太空望远镜。“慧眼”是中国第一颗X射线天文卫星，他的成功研制和发射意味着中国在空间高能天体物理领域长期没有自主观测数据的历史即将结束。

四、可燃冰技术去的突破性进展。

可燃冰被科学家们称之为天然气水合物，被认为是21世纪最具潜力的接替煤炭、石油和天然气的新型洁净能源之一。中国在世界上首次实现可燃冰试采成功，标志着我国成为全球第一个实现了在海域可燃冰试开采中获得连续稳定产气的国家。

五、新一代喷气式大型客机C919在上海浦东机场成功起飞。

我国自主研制的新一代喷气式大型客机C919在上海浦东机场成功起飞。C919大飞机是中国自主研制的新一代喷气式干线客机，最大载客人数174人，最大航程超过5000公里，可以与波音737，空客320想媲美了！

六、世界上第一台超越早期经典计算机的光量子计算机诞生。

这个“世界首台”是货真价实的“中国造”光量子计算机，中国科学院率先宣告了在该领域的突破性进展——世界上第一台超越早期经典计算机的量子计算机的诞生，意味着我过在量子技术上的霸主地位在不断加强！

七、我国首艘国产航母在大连正式下水。

这是中国的首艘国产航母，它的下水，意味着中国在航母制造业上又向前迈了一大步，象征国家的军事建设迈向一个新的里程碑，对于维护世界和平和亚太地区安全具有重要意义。

八、新型万吨级驱逐舰首舰。

有航母自然也要有护航的舰队，这艘中国完全自主研制的，且达到了世界同类舰艇先进水平的海军新型万吨级驱逐舰首舰下水，标志着我国驱逐舰发展迈上了一个新的台阶，中国的海军编队正在走向世界。

九、全球首创N2爆弹。

南京理工大学化工学院胡炳成教授团队成功合成世界首歌全氮阴离子盐，占领新一代高能含有能材料研究国际制高点。全氮类超高能含能材料（炸药）的能量可达3倍TNT以上，具备高密度、高能量、爆轰产物情节无污染、稳定安全等特点。

十、全球首台25MeV质子直线加速器通过测试。

全球首台25MeV质子直线加速器研制成功，标志着我国现金核裂变技术获得突破，该技术可以讲铀资源利用率由不到1%提高到95%，有望使核裂变能从目前的百年变为近万年可持续、安全、情节的战略能源。

十一、“深海勇士”号载人潜水器成功返航。

在南海完成全部海上试验任务后，10月3日随“探索一号”母船顺利返航三亚港。通过本次海试，进一步全面检验和验证了4500米载人潜水器的各项功能和性能，海试的成功标志着研制工作取得圆满成功，成为又一壮举！

十二、“天眼”已经走出世界，走向更远的太空。

被誉为“中国天眼”的500米口径球面射电望远镜(FAST)经过一年紧张调试，已实现指向、跟踪、漂移扫描等多种观测模式的顺利运行，并确认了多颗新发现的脉冲星。这是我国天文望远镜首次发现脉冲星。

三、2020中国科学十大进展发布，具体在哪些方面取得进展？

1.我国科学家积极应对新冠肺炎疫情取得突出进展；

2.嫦娥五号首次实现月面自动采样返回；

3.“奋斗者”号创造中国载人深潜新纪录；

4.揭示人类遗传物质传递的关键步骤；

5.研发出具有超高压电性能的透明铁电单晶；

6.2020珠峰高程测定；

7.古基因组揭示近万年来中国人群的演化与迁徙历史；

8.大数据刻画出迄今最高精度的地球3亿年生物多样性演变历史；

9.深度解析多器官衰老的标记物和干预靶标；

10.实验观测到化学反应中的量子干涉现象等10项重大科学进展入选。

2020年9月接受读创/深圳商报记者专访时，杨学明曾表示，他正在致力于帮助深圳规划中能X射线自由电子激光的建设。该装置建成后，将与规划中的同步辐射装置“交相辉映”，成为综合粒子设施研究院的“双子星”，也成为光明科学城大科学装置的重要一员。

杨学明坦言，深圳目前在重大科技基础设施建设方面还有所欠缺，其根本原因在于重大基础科学设施的研发经验不足，还需要更多高水平研究机构和研究队伍。“我希望借助中能X射线自由电子激光装置的规划、建设，可以打造一个强有力的科研团队。”

值得一提的是，去年同期，南科大物理系教授张立源团队首次观测到三维量子霍尔效应入选了2019年度中国科学十大进展。

“中国科学十大进展”遴选活动由中国科学技术部高技术研究发展中心（基础研究管理中心）牵头举办，至今已成功举办16届，旨在宣传我国重大基础研究科学进展，激励广大科技工作者的科学热情和奉献精神，开展基础研究科学普及，促进公众理解、关心和支持基础研究，在全社会营造良好的科学氛围。

“中国科学十大进展”遴选程序分为推荐、初选和终选3个环节。2020年度，《中国基础科学》《科技导报》《中国科学院院刊》《中国科学基金》和《科学通报》等5家编辑部共推荐了286项科学研究进展，所推荐的科学进展皆是在2019年12月1日至2020年11月30日期间正式发表或完成的研究成果。

2020年12月，科学技术部高技术研究发展中心（基础研究管理中心）组织召开了2020年度中国科学十大进展初选会议，按照推荐科学进展的学科分布，分成数理和天文科学、化学和材料科学、地球和环境科学、生命和医学科学等4个学科组，邀请专家从推荐的科学进展中遴选出了31项进展进入终选。终选采取网上投票方式，邀请中国科学院院士、中国工程院院士、国家重点实验室主任、部分国家重点研发计划总体专家组专家和项目负责人等3200余名专家学者对31项候选进展进行网上投票，得票数排名前10位的进展入选2020年度中国科学十大进展。