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"单量子态的探测及相互作用'重大研究计划

占领世界量子科学战略制高点

 

清华大学副校长/中科院院士薛其坤带领的团队因"量子反常霍尔效应的实验发现'获2018年度国家自然科学奖一等奖.图为薛其坤在颁奖现场. (图片来自网络)

 

编者按

 

在前不久的国家科学技术奖励大会上,自然科学奖一等奖花落清华大学副校长/中国科学院院士薛其坤领衔的"量子反常霍尔效应的发现'项目.这是国家自然科学基金委员会(以下简称自然科学基金委)"单量子态的探测及相互作用'重大研究计划的代表性科研成果之一.

 

近年来,随着实验精度和技术控制能力的不断提高,人们可以制备单量子态,对其进行操控并直接探测其物理特性.这些进展还将促进物理与信息/材料/能源和化学等交叉学科的发展,对包括量子计算/量子通信和量子精密测量等量子科学的发展起到重要作用.

 

2009年,自然科学基金委设立了重大研究计划"单量子态的探测及相互作用',旨在通过对单量子态及其量子效应的理论和实验研究,对微观及宏观量子态进行高精度的精密探测,理解和掌握量子态的特性和规律,发展新的量子探测手段和量子器件制备技术,提升我国基础研究水平,解决与我国信息和能源重大需求相关的科学问题,并实现该领域的跨越式发展.

 

该重大研究计划实施9年来,取得了丰硕成果.本期基金版将总结该重大研究计划取得的经验,展示其取得的成绩.

 

■ 本报见习记者 程唯珈 记者甘晓

激烈争论"震'出来的新概念

 

自量子力学诞生以来,人们对微观世界运动规律的认识不断加深,探测光子/电子等微观粒子的运动形式和规律是自然科学研究长期关注的课题.

 

在普通人的常识中,"观测'是件理所当然的事.比如,当一束光照射到桌面的杯子上时,您能看到这个杯子.但是,在微观尺度,这个"理所当然'就不存在了——我们不可能在一束光或者其他粒子束的照射下"看'到一个只有原子尺寸大小的粒子.这是因为,在宏观世界,用以观测物体的粒子束并不会改变宏观物体的状态,正如光线不会改变杯子的性质一样.但在微观世界,用以"观测'的光束/电子束/声波/电磁波等任何手段,都会和作为观测对象的微小粒子发生不能忽略的相互作用,从而改变它的状态.所以,迄今为止,人类的探测手段对微观量子世界的很多情况都"看不清'.

 

正是因为"看不清',科学家只能用"统计性'作为一种描述微观粒子状态的权宜之计.迄今为止,人们在实验上观测到的量子态都是多个粒子的长时间的统计或平均效应.物理学家意识到,直接对单个粒子量子态以及宏观量子态的波函数及其随时间演化规律等进行精密的探测,是个极具挑战但异常重要的科学问题.

 

10年前,"单量子态'这个概念开始在中国科学家的脑海中酝酿.2008年5月,自然科学基金委针对这方面的问题,在天津举办了一次"双清论坛'.会议期间,科学家们对与材料相关的量子前沿问题做了系统的梳理,并通过反复和激烈的争论,终于凝练出"单量子态'这一新概念,比较好地反映了量子调控研究的科学制高点和发展趋势.

 

该重大研究计划指导专家组成员/中国科学院院士向涛参加了这次会议."记得我们争论时,正逢汶川地震,我们开会的地方也有震感,房顶的吊灯都在晃.'向涛回忆道.这个细节也给许多与会科学家留下了深刻印象,他们称"单量子态'是激烈争论"震'出来的.

 

"所谓单量子态,就是复杂量子体系经过纯化的单光子/单电子/单原子/单分子/聚集体中的准粒子等单粒子量子态,其相互作用与耦合,丰富了微观量子世界的表现形式.'向涛介绍,单量子态研究,就是要制备和纯化单量子态系统,消除多粒子混合和统计涨落的影响,更好地认识微观量子规律.事实上,单量子态已成为21世纪科学前沿的热点研究领域,近年来仅在<科学>上,几乎每隔一期都有这样的工作报道.

 

2009年,自然科学基金委启动了"单量子态的探测与相互作用'重大研究计划.时隔9年,2018年12月,在项目结题验收会上,向涛报告了项目取得的主要进展和成果. "经过近年来的努力,我国量子科学已逐渐在国际舞台上崭露头角.'他说.

从"0'到"1'的原始性创新

 

作为一项科学探索,"单量子态'研究计划的核心科学问题是单量子态体系的构筑/单量子态的精密探测和量子态与环境的相互作用.该重大研究计划立项之初就将解决量子调控的基本问题作为其科学目标,强调做从"0'到"1'的原始性创新工作.

 

向涛告诉<中国科学报>:"我国在量子领域的进展,很多都是基于他国研究上的拓展发现,从事的都是'1'到'2'的研究.我们更希望能够取得对该领域发展有更大影响的开创性成果,在量子调控方面实现跨越式发展.'

 

该重大研究计划在尊重学科发展规律的基础上,充分发挥科学家的个人特长,同时也强调顶层设计的作用.项目分为两阶段实施.

 

第一阶段为启动及重点支持阶段.专家指导组充分发挥领域内专家的作用,推荐并鼓励优秀人才进行申请,在初步取得成果的基础上,进一步遴选做得好/有潜力的团队,初步开始实施项目的集成.

 

第二阶段为集成升华阶段.主要是进一步凝聚科学问题,尽最大可能发挥已有优势项目的潜力,加强研究成果的集成和升华,提高整体研究水平.

 

"追求极致',这是这个重大研究计划对承担项目的所有项目组的基本要求,但也是一个很高的要求.要做到这一点,除了需要极低温/强磁场/超高压等极端实验条件,还需要超高的自旋/轨道/空间/时间分辨能力.只有这样,才能真正做到对单量子态在时间/空间/能量和动量的精准探测和控制.

 

"做得出/看得见/测得准/说得清',这是实施这个重大研究计划的一个基本路线图."这就必须提高材料的纯度和制备技术,使量子态得以纯化,同时还要有能力对其做精密的实验测量,并从理论上对实验观测到的量子现象和效应作出合理的预测和解释.'向涛介绍.

 

9年来,这个研究计划取得多项重要成果.例如,发现了拓扑超导体与马约拉纳零模/完成了最大量子纠缠态的确定性制备/发现了量子反常霍尔效应/实现了单分子核磁共振探测/发现了拓扑绝缘体中自旋—轨道的锁定现象/得到了多层铁硒超导体的完整相图/实现了量子分波共振态的探测等.

 

在该重大研究计划实施的8年间,该项目累计发表sci文章2300多篇,获授权发明专利70余项,项目参与人员获得国家自然科学奖/国家技术发明奖/未来科学大奖等各类荣誉20余项.在资助的中青年学者中,11人获得自然科学基金委国家杰出青年科学基金/4人获得教育部长江计划/9人成为国家"万人计划'科技创新领军人才等.研究计划实施期间,有7位专家组或参研人员当选中国科学院院士.

 

"这些成果达到了国际先进水平,部分成果处于国际领先水平,在国际上产生了重要影响,代表了我国在单量子态检测及相互作用研究方面的最高水平,推动了我国量子调控研究的发展.'向涛评价说.

重视并强化多学科交叉

 

该重大研究计划重视学科交叉/重视对交叉学科领域科学问题的凝练.

 

专家组认为,单量子态研究需要集成具有各种超高时间/空间/能量/动量等分辨能力的精密探测手段,实验探测要在超高真空/极低温/强磁场/超高压等极端条件下完成,必须融合物理/化学/信息/材料/能源等多学科的知识和方式,才能解决其中所涉及的许多核心科学问题.

 

该重大研究计划重视学科交叉性强的新技术新方式的创新与发展,并通过项目的集成,进一步促进学科的交叉.例如,把飞秒双光子能谱动力学研究方式与表面实验扫描探针显微技术相结合,用于表面光催化动力学研究,就是物理与化学交叉融合的一个典型例子.通过这个项目的研究,澄清了甲醇在二氧化钛表面的单分子吸附态和光催化过程,由此开拓了表面光催化动力学研究的新思路.

 

该重大研究计划每年都会组织一次由项目全体成员参加的学术交流会以及两三次部分成员参加的专题研讨会.向涛介绍:"每次会议都由从事相关研究的物理/化学/信息/材料等领域的研究人员参加研讨和交流.这些会议不仅促进了项目内成员之间的合作,也促进了和项目外研究人员的交叉合作.'

 

"本项目在单分子/单光子/拓扑绝缘体和铁基超导研究方面取得了一批成果,同10年前相比上了一个台阶.'向涛表示,该重大研究计划的实施,改变了我国在单量子态实验探测系统建设方面的薄弱局面,使得中国在单量子态研究方面整体走在了国际前列.

<中国科学报> (2019-01-28 第4版 自然科学基金)

 

 

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