重大突破 | 连发4篇Nature/Science，潘建伟/苑震生等在量子计算和量子模拟研究获重要突破

编者按

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在粒子物理学的标准模型中建立的对基本粒子的现代描述是建立在规范理论之上的。规范理论通过局部对称约束来实现物理学的基本定律。例如，在量子电动力学中，高斯定律在带电物质和电磁场之间引入了一种固有的局部关系，从而保护了许多显著的物理特性，包括无质量的光子和长距离库仑定律。使用经典计算机求解规范理论是一项艰巨的任务，这激发了人们在微观工程量子设备中模拟规范理论动力学的努力。先前的成就实现了依赖于密度的Peierls相，而没有定义局部对称性，实现了到有效模型的映射以整合出物质或电场，或者仅限于非常小的系统。但是，尚未通过实验观察到基本的规范对称性。

2020年11月18日，中国科学技术大学潘建伟，苑震生及卡尔斯大学Philipp Hauke共同通讯在Nature 在线发表题为“Observation of gauge invariance in a 71-site Bose–Hubbard quantum simulator”的研究论文，该研究开发了一种专用的量子计算机---71个格点的超冷原子光晶格量子模拟器，对量子电动力学方程施温格模型（Schwinger Model）进行了成功模拟，通过操控束缚在其中的超冷原子，从实验上观测到了局域规范不变量，首次使用微观量子调控手段在量子多体系统中验证了描述电荷与电场关系的高斯定理，取得了利用规模化量子计算和量子模拟方法求解复杂物理问题的重要突破。

2020年6月15日，中国科学技术大学潘建伟及彭承志共同通讯在Nature 在线发表题为“Entanglement-based secure quantum cryptography over 1,120 kilometres”的研究论文，该研究展示了两个相距1,120 km的地面站之间基于纠缠的QKD。与先前的工作相比，该研究将双光子分布的链路效率提高了约4倍，并获得了0.12比特/秒的有限密钥-秘密密钥速率。因此，该研究工作为基于纠缠的全球量子网络铺平了道路。总体而言，结果使地面上实际QKD的安全距离从100 km增加到超过1000 km，而无需信任的中继站，这代表了朝着任意长距离远程用户真正可靠且牢不可破的加密方法迈出的重要一步（点击阅读）。

2020年2月12日，中国科学技术大学潘建伟、包小辉及张强共同通讯在Nature 在线发表题为“Entanglement of two quantum memories via fibres over dozens of kilometres”的研究论文，该研究在量子中继与量子网络方向取得重大突破。该研究通过发展高亮度光与原子纠缠源、低噪高效单光子频率转换技术和远程单光子精密干涉技术，成功地将相距50公里光纤的两个量子存储器纠缠起来，为构建基于量子中继的量子网络奠定了基础（点击阅读）。

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