nature杂志封面文章

近日，由清华大学材料学院李千助理教授和美国阿贡国家实验室Haidan Wen博士等人组成的研究团队首次实验观测到铁电极化涡旋在亚太赫兹频段的多个集体晶格振荡模式，并发现一种具有大应变与电场调谐性的涡旋软模（vortexon）。该研究工作是近年来基础铁电物理学的一个重大突破，其发现的涡旋畴的动态性质在5G/6G微波介电、太赫兹光电子等新兴领域均有潜在应用前景，并在方法学层面上树立了材料超快结构动力学研究的新范式。

铁电材料的自发极化来源于晶胞内部正、负离子的相对反向位移，这些位移在不同晶胞间通常以平行方式排列。在特定的弹性、静电边界条件下（如在PbTiO3/SrTiO3铁电体/介电体超晶格中），离子极化位移会偏离平行排列而产生连续旋转状态，由此可形成新颖的极化拓扑结构，包括极化涡旋（polar vortex）、极化斯格明子（polar skyrmion）等。目前，人们对这些新颖极化拓扑结构的研究主要侧重于对其静态极化组态的观察分析，而对其动力学行为仍停留在推测阶段，还没有任何实验手段对这些推测进行证实，也尚不清楚形成的拓扑结构是否存在新的软模以及它们在超快时间尺度的动力学性质。

（a）涡旋动态响应理论频谱（b）涡旋软模的运动方式（c）实验示意图

针对上述问题，该研究通过硬X射线自由电子激光散射实验，并结合动力学相场模型与原子尺度模型两种模拟方法，对强场太赫兹脉冲激发下(PbTiO3)16/(SrTiO3)16超晶格薄膜中极化涡旋在百飞秒量级的时间分辨率下的超快动力学进行了研究。实验中，通过测量极化涡旋的X射线衍射强度随泵浦-探测延迟时间的变化曲线，分析得到了主要位于 THz（293K）附近和 THz两个频域的模式。二者在实空间分别对应于相邻涡旋从直线排列开始横向振动的模式和更复杂的、具有涡旋壁扭转与呼吸等特征的动力学模式。此外，该研究还揭示了涡旋集体动力学模式的频率和振幅的可调谐性，通过改变样品温度产生热应变，观察到了低频横向振动模式的频率显著变化，表现出典型的软模行为（即涡旋软模）。计算结果与实验结果在响应模式频率、激发选择性以及模拟X射线衍射信号等方面有着较好的吻合。

实验中（a）293 K下 THz模式（b） THz模式及（c）二者对应频谱的温度演化

4月15日，上述研究工作以“极化涡旋的亚太赫兹集体动力学”（Subterahertz collective dynamics of polar vortices）为题，以封面文章形式在线发表于《自然》（Nature）期刊。《自然》同期刊登了由法国皮卡第大学伊格尔·卢克扬恰克（Igor Luk’yanchuk）教授和瑞士Terra Quantum AG公司瓦列里·维勒克（Valerii M. Vinokur，2020年菲列兹·伦敦奖获得者）博士所作的评论文章《铁电涡旋动力学的发现》（Dynamics of ferroelectric vortices revealed），对该工作的基础科学价值及潜在应用背景给予了高度评价，称“该研究发现的振荡模式将有助于将太赫兹半导体器件缩小到纳米量级，并实现电场驱动的高速高密度数据处理”。

李千助理教授为本论文的第一作者，其在博士后期间合作完成了该工作的主要部分，其后在清华完成了部分相场模拟工作和论文投稿。工作得到国家自然科学基金基础科学中心项目的资助。

论文链接：

杂交水稻，顾氏小盗龙，x射线晶体图，远古翔兽这种哺乳动物，北京猿人的同位素年龄等等。

量子通信是当下热门的科研话题之一。

但由于光子的衰减，量子通信会被距离所限制， 这些光子就正如神话故事里的“牛郎”和“织女”一样，被分隔在光纤两端 。

如果说牛郎织女可以靠着“鹊桥”每隔一年相会一次。

那么在量子世界里，能让“光子牛郎”和“光子织女”相遇的“鹊桥”就是 “量子中继” 。

中国科学技术大学郭光灿院士团队 李传锋、周宗权研究组 利用固态量子存储器和外置纠缠光源，首次实现两个 吸收型量子存储器之间的量子纠缠 ，并演示了多模式量子中继。

该研究成果登上国际著名学术期刊《Nature》新一期封面，这也是中国量子存储和量子中继领域的重大进展。

受限于光子数在光纤中的指数衰减，远程量子纠缠的传输距离被限制在百公里水平。

中科大科研团队是这么描绘远程量子纠缠传输难题：“通过光纤向距离一千公里外的地方每秒发射一百亿个光子，要花三百年才能接收到一个光子。”

距离问题，就成了当下量子网络建设亟待解决的问题之一 。

为此，科学家们提出量子中继的思想，即将远距离传输划分为若干短距离基本链路，先在基本链路的两个临近节点间建立可预报的量子纠缠，然后通过纠缠交换技术进行级联，从而逐步扩大量子纠缠的距离。

通俗易懂来讲： 如果直接发送光子很困难，那么可以像短跑接力一样，将光子分段传输，从而实现远距离通信。

这其中的技术核心是量子存储技术，作为量子中继的核心器件， 量子存储器对光子比特进行缓存，并用于储存光子纠缠态 。

而当前业内一直研究的课题，就是 提升纠缠连接效率 。

目前，国际上的研究者已在冷原子气体和单量子系统中实现量子中继的基本链路，但均基于 发射型量子存储器 构建，其纠缠光子是由存储器本身发射出来的。此前，李传锋教授在接受新华社采访时表示：发射型量子存储器，要么一次只能传输1个量子，效率低；要么一次传输多个量子，但精确率低。

这种架构难以同时支持确定性光子发射和多模式复用存储，限制了纠缠分发的速率。

而此次李传锋、周宗权研究组的 吸收型量子存储器 的量子中继架构，把量子存储器和量子光源分离开来，故能同时兼容确定性光子源和多模式复用， 是目前理论上通信速率最优的量子中继方案 。

简单来说， 存储和发射分离开来，可以保证传输时的精确度。

此前，李传锋、周宗权研究组长期从事基于稀土离子掺杂晶体的固态量子存储器的研究。

早在2015年，该团队就首次利用光子的空间自由度实现复用量子存储，存储维度数达到51维，至今保持固态量子存储维度数最高水平。

此后，研究组还进一步证明他们的存储器可以在时间和频率自由度实现任意脉冲操作，代表性的操作包括脉冲排序、分束、分频、异频光子合束和窄带滤波等。

在本次实验里，研究组研究的是 基于稀土离子掺杂晶体 的固态量子存储，这种存储器利用两块毫米厚的掺钕钒酸钇晶体，分别处理光的两种正交偏振态。

基于独创的“三明治”结构，每对纠缠光子中的一个光子被三明治型量子存储器所存储，然后，每对纠缠光子中的另一个光子会同时传输至中间站点，这就实现了量子中继。

《Nature》杂志审稿人对此次的研究成功给予高度评价并表示：“这是在地面上实现远距离量子网络的一项重大成就。”

总结来讲，这次研究成果就是如何让单个微弱的纠缠态光子在光纤中尽可能远的传输，传输的其实依然是量子密钥，距离真正的“量子+通讯”还有一定距离。

但这依然是中科大这些年量子通讯领域一系列进步的延续，也延续着该领域的国际领先地位。

目前来看， 中国已经走在了国际量子通信领域的前列。

一方面，中国拥有世界上最好的光纤资源，这为其大规模实施量子通信提供了土壤。另一方面，行业头部企业在产品上的突破和通信巨头的入局，国内外相关标准制定的推进，也为量子通信低成本产业化带来可能。

在未来， 信息安全本身是一个刚需、庞大的市场，而量子通信作为信息安全中的重要战略产业 ，也将一直保持行业技术突破，直到我国实现“量子霸权”。

对于今后的研究方向，李传锋教授表示：下一步，研究组将继续提高量子存储器的各项指标，并采用确定性纠缠光源，从而大幅提高纠缠分发的速率，努力实现超越光纤直接传输的实用化量子中继器。

我们也期待中科大科研团队能在未来有更大的突破。

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