北京时间3月15日凌晨，《科学》杂志在线发文，宣布中国科学家领衔的团队首次在实验上发现量子反常霍尔效应。这一发现或将对信息技术进步产生重大影响。

　　图一，量子反常霍尔效应的示意图，拓扑非平庸的能带结构产生具有手征性的边缘态，从而导致量子反常霍尔效应

　　图二，理论计算得到的磁性拓扑绝缘体多层膜的能带结构和相应的霍尔电导

　　这一发现由清华大学教授、中国科学院院士薛其坤领衔，清华大学、中国科学院物理所和斯坦福大学的研究人员联合组成的团队历时4年完成。在美国物理学家霍尔1880年发现反常霍尔效应133年后，终于实现了反常霍尔效应的量子化，这一发现是相关领域的重大突破，也是世界基础研究领域的一项重要科学发现。

　　由于人们有可能利用量子霍尔效应发展新一代低能耗晶体管和电子学器件，这将克服电脑的发热和能量耗散问题，从而有可能推动信息技术的进步。然而，普通量子霍尔效应的产生需要用到非常强的磁场，因此应用起来将非常昂贵和困难。但量子反常霍尔效应的好处在于不需要任何外加磁场，这项研究成果将推动新一代低能耗晶体管和电子学器件的发展，可能加速推进信息技术革命进程。

　　美国科学家霍尔分别于1879年和1880年发现霍尔效应和反常霍尔效应。1980年，德国科学家冯·克利青发现整数量子霍尔效应，1982年，美国科学家崔琦和施特默发现分数量子霍尔效应，这两项成果分别于1985年和1998年获得诺贝尔物理学奖。

图三，在Cr掺杂的(Bi，Sb)2Te3拓扑绝缘体磁性薄膜中测量到的霍尔电阻

　　“量子反常霍尔效应”研究获突破

　　由中国科学院物理研究所和清华大学物理系的科研人员组成的联合攻关团队，经过数年不懈探索和艰苦攻关，最近成功实现了“量子反常霍尔效应”。这是国际上该领域的一项重要科学突破，该物理效应从理论研究到实验观测的全过程，都是由我国科学家独立完成。

　　量子霍尔效应是整个凝聚态物理领域最重要、最基本的量子效应之一。它是一种典型的宏观量子效应，是微观电子世界的量子行为在宏观尺度上的一个完美体现。1980年，德国科学家冯·克利青（Klaus von Klitzing）发现了“整数量子霍尔效应”，于1985年获得诺贝尔物理学奖。1982年，美籍华裔物理学家崔琦（Daniel CheeTsui）、美国物理学家施特默（Horst L。 Stormer）等发现“分数量子霍尔效应”，不久由美国物理学家劳弗林（Rober B。 Laughlin）给出理论解释，三人共同获得1998年诺贝尔物理学奖。在量子霍尔效应家族里，至此仍未被发现的效应是“量子反常霍尔效应”——不需要外加磁场的量子霍尔效应。

　　“量子反常霍尔效应”是多年来该领域的一个非常困难的重大挑战，它与已知的量子霍尔效应具有完全不同的物理本质，是一种全新的量子效应；同时它的实现也更加困难，需要精准的材料设计、制备与调控。1988年，美国物理学家霍尔丹（F。 Duncan M。 Haldane）提出可能存在不需要外磁场的量子霍尔效应，但是多年来一直未能找到能实现这一特殊量子效应的材料体系和具体物理途径。

中国量子技术再获突破 实现世界最佳单光子源

　　本报讯（记者蒋家平）2月4日，英国《自然》子刊《自然—纳米技术》以长文形式，发表了中国科学技术大学教授潘建伟、陆朝阳等人关于量子点脉冲共振荧光确定性高品质单光子源的研究工作。这是我国量子点光学量子调控领域发表在《自然》系列期刊上的第一篇论文。

中国科大实现世界最高品质的确定性量子点单光子源

　　量子点是一种通过分子束外延方法制备的纳米晶体，又被称为“人造原子”，可以为量子保密通信和光学量子计算提供理想的单光子源。此前，美国加州大学、斯坦福大学和英国剑桥大学等研究组实现了基于非共振激发量子点产生的单光子源。然而，由于单光子发射时间抖动、激子退相干等，不可避免地引起光子品质下降，光子全同性只能达到70%左右，无法进一步应用于可扩展量子信息处理。

　　要发展能够真正实用化的光量子信息技术，关键技术之一是实现确定性的高品质单光子源。为此，微尺度物质科学国家实验室的潘建伟、陆朝阳等在国际上首次发展了一套新颖的量子点脉冲共振光学激发、多重滤波技术，显著消除了消相干效应，解决了单光子源的确定性和高品质这两个基本问题。

　　实验产生的单光子源信噪比超过300：1，二阶关联函数小于1。5%，光子全同性优于97%，这些技术指标使得中国在这一领域的研究跻身世界前列，为可扩展光学量子计算和基于自旋的固态量子网络的实现奠定了基础。审稿人称赞这是一个“令人惊喜的高质量实验”。

中国专家谈单光子探测技术：千里外就可发现F-22

　　单光子探测器能够探测到光的最小能量量子——光子。单光子探测器可对单个光子进行探测和计数，在信号强度仅为几个光子能量级的条件下，单光子探测器的作用十分巨大。（资料图）

　　光子，是光的最小能量量子。单光子探测技术，是近些年刚刚起步的一种新式光电探测技术，其原理是利用新式光电效应，可对入射的单个光子进行计数，以实现对极微弱目标信号的探测。有关专家认为，单光子探测技术能将现有的机载光电探测距离从几十公里提高到几千公里，势必带来机载目标探测系统的革命，极大地改变未来空天战场的作战方式。

　　隐身飞机将无处“隐身”。F－22、B－2等飞机高超的隐身性能，几乎使现役雷达和光电探测系统变成“瞎子”。但单光子探测系统极高的探测灵敏度，即使对F－22、B－2这样的隐身飞机，作用距离也可达到几百到几千公里，可在极远距离上发现隐身飞机，使其“无处遁形”。

　　空战将从“中距”拉向“远距”。配装单光子探测系统的作战飞机，由于对空目标探测距离极远，将使空中作战从目前的中距进一步扩为远距。如：配挂单光子超远程空空导弹，火力攻击距离可达到几百到几千公里之外。空中战争将从传统的几十公里的超视距作战变为间隔几千公里的非接触战争。

　　“全球感知，全球打击”成为可能。利用空中平台或临近空间平台配装单光子探测系统，构建单光子探测网络，只需几部单光子探测系统就可实现对领空的全域覆盖。在此基础上用地面或空中远程导弹构建空中地面联合火力网，把单光子探测网络作为网络中心战的目标探测网络系统，可对任何位置（地面或空中）发射的导弹进行目标指引，有效攻击全球目标，实现“全球感知，全球打击”。

用单光子成功实现两个单分子间通讯

　　科技日报讯据美国物理学家组织网2月28日报道，瑞士苏黎世联邦理工学院和德国马克斯·普朗克研究所的科学家用单个光子激发单个分子，实现了两个单分子间的信号传送。在实验中，可让单个分子模拟光频，将单光子流传递给相距数米的另一个分子，如同两个站点之间的无线电通讯。这为开展以单光子作为量子信息载体，由单个发射器进行信息处理的进一步研究铺平了道路。相关研究结果发表在《物理评论快报》杂志上。

　　过去20年，科学家已证明能探测到单个分子，也能生成单光子。然而，单个分子发现并吸收单光子的几率很低，由光子激发分子仍难以捉摸，因而通常需要每秒释放数十亿光子来轰击分子，才能从中获得一个信号。规避这一物理学难题的一般方式是，在原子周围构建一个腔洞，使光子能够长久囚禁其中，以保持两者良好的互动几率。

　　而此次实验的挑战之一，就是获取具有适当频率和带宽的单光子来源。科研小组利用了一个事实：当一个原子或分子吸收单光子时，它将过渡到激发态。在几纳秒后，激发态将衰变为最初的基态，并放射出单个光子。

　　在实验中，研究人员将两个嵌入有机晶体之中的荧光分子样本冷却至零下272摄氏度。每个样本中的单个分子都能由光谱选择结合空间。为了生成单光子，单个分子将从“源头”样本中激发而出。当分子的激发态衰变时，放射出的光子将紧紧聚集于距离几米之外的另一个“目标”样本之上。为了保证样本中的单个分子能够“看到”入射的光子，研究小组必须保证它们处于同一频率。此外，珍贵的单光子也需要与单个目标分子进行有效地互动。

　　科学家表示，这是两个量子光学天线之间长距离通讯的首个例子。单个分子一般大小为1纳米，而聚集的光束却不能小于数百纳米。这通常意味着大多数的入射光都会环绕分子进行运动，而无需“看见”对方。然而，如果入射光子与分子的量子力学过渡产生共鸣，在这个过程中，分子可像天线一般发挥作用，抓住其附近的光波。

利用激光可快速高效创建单光子

　　为研究原子的纠缠态和自旋波等提供了便利条件

　　中国科技网讯 据物理学家组织网4月19日报道，美国佐治亚理工学院的物理学家利用激光从超冷的铷原子气体云内激发单个原子，开发出了一种能快速、有效创建单光子的新方式，并有望应用于光量子信息处理之中。相关研究结果发表在当日出版的《科学快讯》（《科学》杂志快速在线版）上。

　　这套新的单光子系统为研究原子的纠缠态和自旋波等提供了“肥沃的土壤”。科研人员能相当高效地将里德伯激发转化为单光子，随时获取所需的状态，速度可比现有系统快近千倍。

　　里德伯原子是指一个价电子被激发到高量子态的高激发原子。其价电子离原子实很远，能级结构类似于氢原子。为了获取里德伯原子，研究人员利用激光照射数百个密集的铷87原子。它们都被激光所冷却，并被限制在光学晶格中。激光照射将使单个原子从铷原子气体云中转化为接近电离的里德伯态。原子处于这种高度激发的状态时，将在10微米至20微米的范围内，与其他里德伯原子发生强烈的相互作用。通过修改单个里德伯原子的能量水平并在其周围保有相应的空间，可阻止额外的原子被转化为里德伯态。

　　一旦高度激发的原子被制成，科学家便可利用额外的激光场将激发转化为具有同样统计属性的量子光场。由于场由单个里德伯原子生成，其只包含一个光子，这可被用于多种协议之中，对于量子信息系统等领域的研究也十分重要。研究人员表示，在首次实验中，生成的单光子的性能已超过了其他类型的单光子。随着效率和生产率的进一步提升，以及和“长寿的”量子存储器的融合，这一单光子来源或可实现光量子的信息处理。

　　下一步，研究团队将致力开发两个光场之间的光子量子闸。如若成功，将支持他们制成原子和光的复杂纠缠态，这将为量子网络和量子计算添加宝贵的性能。