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发布：2026-06-03 · 事件：2026-06-03 08:14:03

量子科技领域前沿进展 Frontier Advances at the Cutting Edge of Quantum Technology 编 辑｜Hailey 前言 专栏介绍： 北大创新评论“创新成果”专栏聚焦科学家、青年学者、产业专家及相关团队的最新科技成果转化孵化成果展示，共建产学研用交流互动、深度融合、协同创新的一体化平台，引领未来产业应用发展。欢迎关注《北大创新评论》，了解“创新成果”最新动向和资讯。

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量子科技领域前沿进展 Frontier Advances at the Cutting Edge of Quantum Technology 编 辑｜Hailey 前言 专栏介绍： 北大创新评论“创新成果”专栏聚焦科学家、青年学者、产业专家及相关团队的最新科技成果转化孵化成果展示，共建产学研用交流互动、深度融合、协同创新的一体化平台，引领未来产业应用发展。欢迎关注《北大创新评论》，了解“创新成果”最新动向和资讯。 本期专栏汇编了量子科技研究领域的最新进展，涵盖了从 用AI赋能原子力显微镜，揭示冰融化前隐藏的“无定形冰层” 、证实拓扑增强的超宽带二次谐波产生 到 发现 “量子孪生干涉仪”创立相位测量新范式 等多个重要研究。 01 北大徐莉梅、江颖团队用AI赋能原子力显微镜，揭示冰融化前隐藏的“无定形冰层” 近日，北京大学物理学院量子材料科学中心徐莉梅教授、江颖教授及洪嘉妮特聘研究员团队通过发展 AI–AFM 联合表征解析方法，发现冰在融化前会形成一种此前未知的“无定形冰层”。这层冰虽然结构无序，却仍保持固态特征，为理解冰的融化和生长提供全新视角。该研究的主要结论如下： 1.面对构型繁多、结构高度无序的复杂体系时，这无异于大海捞针。为破解这一难题，团队开发了一套基于AI的 AFM结构解析框架 。该框架首先利用目标检测算法，从AFM图像中自动识别表层原子坐标；随后，在物理约束下，借助生成模型重建实验信号难以直接获取的的亚表面结构。针对实验数据量有限的现实问题，团队采用大量模拟数据训练神经网络，并引入生成对抗网络（GAN）模拟实验噪声，从而提升数据解析的精度和稳定性。 这一框架打破了AFM长期以来主要用于研究平面化、周期性结构的局限，使针对复杂无序界面的定量分析成为可能。 2.团队提出的AI–AFM解析框架 实现了实验与模拟的深度结合 ：一方面，AI–AFM 框架通过对实验数据的反演，从实验中“捕捉”到传统模拟难以触及的低温复杂原子级精确构型；另一方面，这些真实结构又被直接用作模拟的起点，使探索以往无法直接观测的复杂动力学行为成为可能。 这一创新为探索复杂无序界面、相变行为及材料缺陷等提供了强大的原子级工具 ，有望在催化界面、功能材料及生物分子研究等广泛领域带来重大应用。 Application 产业应用 该 AI-AFM 结构解析框架为复杂无序界面的原子级研究提供了颠覆性工具，产业价值显著。针对传统 AFM 难以解析冰表面 120–180K 区间复杂结构的痛点，团队创新融合目标检测算法与生成模型，突破 AFM 仅适用于平面周期性结构的局限，实现对冰预融化过程的定量分析，重新定义了冰的 “融化” 机制，为气候变化、低温保存等领域提供关键理论支撑。 该框架通过模拟数据训练与噪声模拟提升解析精度，实现实验与模拟深度耦合，既能捕捉传统模拟难以触及的原子构型，又能支撑复杂动力学行为研究。其应用可延伸至催化界面、功能材料、生物分子等领域，助力相关材料性能优化与技术突破，推动材料科学、大气化学等多学科产业化升级，具备广阔的科研转化与市场应用前景。 02 北大孙栋课题组与合作者首次实验证实拓扑增强的超宽带二次谐波产生 近日，北京大学物理学院量子材料科学中心孙栋教授课题组联合中国科学院长春光学精密机械与物理研究所程晋罗研究员、湖南大学材料科学与工程学院潘安练教授等合作团队，在外尔半导体碲（Te）纳米片中观测到由拓扑能带结构增强的超宽带二次谐波产生（SHG），基频光波长范围覆盖1.2–5.0 μm，涵盖极具挑战性的中红外（MIR）。其非线性转换效率比传统二维非线性材料硒化镓（GaSe）高出两个数量级以上。其主要研究内容如下： 1.拓扑能带工程为现有材料普遍存在响应波段窄、转换效率低的问题提供了全新路径。但针对SHG过程，这一“拓扑增强”机制长期缺乏清晰的实验证据。本研究通过将激发波长拓展至深中红外（5.0 μm）， 系统揭示了Te纳米片在整个1.2–5.0 μm波段内均具有巨大且宽带的SHG响应。 实验提取的二阶非线性极化率χ⁽²⁾光谱在2.2 μm处达5.0 ± 0.4 nm/V，并呈现三个特征峰。结合第一性原理计算，研究团队明确指出：这些共振峰分别对应于价带与导带中三个不同外尔节点（Weyl points）附近的双光子带间共振跃迁。二次谐波的增强机制源于外尔节点附近巨大的贝里联络，而非贝里曲率偶极子。 这一发现为“拓扑增强二次谐波”提供了直接、清晰的实验证据，澄清了此前机制解释中的争议。 2.得益于其超高非线性系数、强各向异性、超宽带响应以及与片上集成工艺的良好兼容性，Te纳米片成为极具前景的MIR非线性光学材料平台。该工作不仅为中红外频率转换、片上非线性光子器件等提供了高效、紧凑的材料解决方案， 也为通过量子材料的拓扑工程探索更强 NLO响应提供了新的途径。 Application 产业应用 该研究成果凭借 Te 纳米片超宽带、高转换效率的二阶非线性光学特性，具备极为广阔的产业化应用前景。其在 1.2–5.0 μm 波段的强 SHG 响应，可直接赋能中红外频率转换、片上全光信号处理等核心器件研发，填补了中红外波段高效非线性光学材料的市场空白。在通信领域，该材料能助力 6G 及未来光通信系统实现高速率、大容量的信号传输与处理；在红外探测领域，可大幅提升红外成像设备的灵敏度与分辨率，适用于安防监控、医疗诊断等场景；在激光技术领域，可推动紧凑型中红外激光器的开发，满足工业加工、环境监测等领域的需求。同时，Te 纳米片与片上集成工艺的良好兼容性，能适配现有半导体制造体系，降低器件量产成本，加速其在光电子芯片、量子通信等新兴领域的规模化落地，为下一代光电子产业升级注入核心动力。 03 首次实现！清华团队在量子计算领域取得重要突破 近日，清华大学计算机系量子软件研究中心陈建鑫课题组与北京量子信息科学研究院燕飞团队合作，在量子计算机体系结构领域，取得重要进展。研究团队在国际上首次实现了，支持任意两比特量子门直接编程的指令集架构AshN，相关研究成果以“基于统一控制方案的任意两比特门的高效实现”为题发表于《自然·物理》（Nature Physics）。该研究的主要亮点如下： 1. 在传统量子计算机中，复杂量子操作通常需要通过分解为CNOT门和单比特门的组合来实现，这种方法不仅效率较低，还容易引入操作误差。针对这一关键问题，陈建鑫课题组创新性地 提出了AshN量子指令集架构 ，采用磁通调控与微波驱动的协同操控机制，通过统一控制方案下多参数协同调控，实现了对两比特酉矩阵，所有等价类的完整覆盖。 2. 该架构的核心优势包括， 通过统一控制脉冲可直接实现任意两比特酉矩阵操作，完全避免了传统门级分解的繁琐过程 。与传统方案相比，该架构能大幅减少门操作数量，显著降低误差累积。在合理假设下，该架构可保证演化时间的最短性，从而使得高精度物理实现成为可能。 3. 该架构已在北京量子信息科学研究院的主流超导量子比特平台上，成功实现并验证。 其创新的指令集架构，可直接提升现有超导量子芯片的性能表现。 Application 产业应用 该 AshN 量子指令集架构为超导量子计算产业化落地开辟了关键路径，产业前景广阔。其创新采用磁通调控与微波驱动协同机制，可直接实现任意两比特酉矩阵操作，无需传统门级分解流程，大幅减少操作数量与误差累积，还能保障最短演化时间，为高精度量子计算提供了核心支撑。 该架构已在主流超导量子比特平台验证落地，可直接赋能现有超导量子芯片性能升级，适配量子计算硬件迭代需求。未来其可广泛应用于量子算法研发、量子通信加密、新药研发模拟、金融风险建模等领域，助力解决经典计算机难以攻克的复杂问题。随着量子计算商业化进程加速，该架构有望成为超导量子芯片的核心技术方案，推动量子计算产业从实验室走向规模化应用。 04 中国科大实现片上非相干泵浦高品质量子光源的制备与表征 近日，中国科学技术郭光灿院士团队在高性能片上量子光源的研究方面取得重要进展：该团队史保森教授、周志远副教授课题组展示了利用非相干光在硅基光芯片上高效制备高品质量子光源的新方法，为开发稳定、高效率且低成本的集成量子光源开辟了新的道路。其研究的主要内容包括： 1. 在本工作中，课题组创新性地 提出并验证了使用宽带的放大自发辐射光源（ASE）作为泵浦源的量子光源制备方案 ，在硅波导内通过自发四波混频过程 实现了高品质量子光源的制备 。理论分析和数值模拟均表明，泵浦光的时域非相干性不仅不会降低量子态的质量，反而带来了诸多好处：首先，非相干光可以被视为大量独立单色光源的相位无关线性组合， 这种特性打破了非线性相互作用的简并性，导致光子对产生速率的提升 ；其次， 非相干光天然的频谱非关联特性可以被“传递”给生成的光子对，提高了量子态的频谱纯度。 2. 实验结果则有力地证实了理论预测。与相干激光泵浦相比， 采用非相干光泵浦方案的光子对产生速率提升了40% ；同时，在衡量量子光源关联特性的关键指标——符合计数与偶然符合比和二阶自相关函数上，非相干光泵浦的方案也展现出明显优势，尤其是在低功率下， 能够有效抑制背景噪声的干扰，获得更纯净的单光子源 。更重要的是，研究团队还利用这种方法制备出了高质量的偏振纠缠量子态，纠缠态的保真度高达95.7% ± 0.1%，并且Bell不等式的测量值达到了S = 2.64 ± 0.02。此外，非相干光的低时间相干性还消除了实验系统中由光纤端面反射等因素引入的干涉效应， 进一步增强了整个系统的稳定性。 Application 产业应用 这项工作更新了人们对量子态制备中泵浦光相干性的传统认知，揭示了光学非相干性与量子特性之间的深刻联系。它不仅为量子光源的设计提供了新思路，也极大地放宽了对泵浦源的技术要求，证明了通常被视为光学噪声的ASE光源也可以被有效用于量子态的生成。未来这项技术有望应用于更多依赖自发四波混频效应的物理体系以及其它光与物质相互作用的过程，并推动单片集成量子光子学技术的进一步发展，为实现可扩展的量子信息处理和量子网络奠定坚实基础。 05 上海交通大学团队实现量子计量学重大突破，“量子孪生干涉仪”创立相位测量新范式 上海交通大学物理与天文学院讲席教授、李政道研究所兼职研究员张卫平与助理研究员包谷之等组成的团队在量子干涉技术与量子精密测量领域再次取得重大突破，提出并实现了一种全新的干涉架构—“量子孪生干涉仪”，将该团队自己一直保持的量子关联干涉仪相位测量信噪比的国际记录再次提升三个数量级。其研究的主要内容如下： 1.干涉仪在导航、引力波探测等众多方向都是不可或缺的精密测量工具，但其探测微弱信号的灵敏度最终受限于标准量子极限。该团队首次实现的 光量子关联干涉仪及量子增强梯度计 已成功突破了这一极限，并长期在国际上保持最好的记录。目前主流的量子干涉相位测量均采用平衡零拍探测原理，依靠一个强本地振荡场作为参考，通过信号光与其干涉来提取相位信息。然而，长期以来学界并未意识到，由于强本地振荡场的存在，平衡零拍探测中，干涉两臂光强事实上处于极端不平衡状态，这成为制约相位测量灵敏度的探测瓶颈。 该团队凭借理论与实验的双重优势，敏锐地辨识到这一原理性局限。 2.为突破此局限，该团队构 建了互为纠缠的“量子孪生干涉仪”架构 ，取代现有的平衡零拍探测。基于并行配置的双对孪生纠缠光束，建立了量子关联干涉与纠缠探测协同的相位测量新范式，并成功在实验上打破了该团队自己一直保持的量子关联干涉仪相位测量信噪比的国际记录，信噪比再次提升三个数量级。 这一成果标志着量子计量学向前迈进的又一里程碑。 Application 产业应用 该光量子关联干涉仪技术突破精密测量的标准量子极限，产业前景极为广阔。其创新构建的 “量子孪生干涉仪” 架构，摒弃传统平衡零拍探测的原理性局限，通过双对孪生纠缠光束的协同探测，将相位测量信噪比提升三个数量级，长期保持国际领先记录。 在应用层面，该技术可直接赋能导航定位、引力波探测、电磁传感等关键领域，大幅提升设备的探测灵敏度与测量精度，助力实现更高精度的地质勘探、更灵敏的深空探测及更可靠的惯性导航。同时，其在量子计量学领域的里程碑式突破，还能推动量子精密测量仪器的升级迭代，适配高端科研与工业检测需求。随着技术的产业化转化，有望打破国外高端测量设备的垄断，为我国精密仪器产业发展注入核心动力。 END. 转载声明：北大创新评论 *本文系转载自北京大学新闻网、公众号及网络素材汇编，经北大创新评论编辑发布，版权归原作者所有。