2025年，捷报频传，我院科研工作成果丰硕，在量子光学、原子分子物理、图像处理、激光技术等前沿领域取得系列突破性进展，全年在Nature、Science等国际顶尖学术期刊及其子刊上发表高水平论文二十余篇，这些成果体现了我院在基础研究和应用研究方面的深厚积淀与创新活力。现将本年度代表性论文成果汇总如下。

成 果 汇 总

一、单方设备无关量子随机数产生

量子导引是一种具有方向性与非对称性的特殊纠缠形式，由于不需要对导引方的系统与测量进行刻画，能够在单方设备无关场景下验证用户间共享纠缠态，从而降低对用户设备的依赖。在实际场景中，并非所有用户都有能力制备所需的量子资源，特别是在远端且不可信的用户。因此，将远端用户作为导引方，建立由远端量子态到本地可信用户持有量子态的量子导引，可以保证由远端用户测量结果提取的随机数不再依赖其设备，实现单方设备无关量子随机数产生。光电研究所苏晓龙教授研究组，基于2公里光纤信道分发的连续变量量子导引，实现了单方设备无关的随机性验证和量子随机数高效提取。该成果展现了量子导引在单方设备无关量子随机数产生以及量子安全通信和量子网络等领域的潜在应用前景。研究成果以“One-sided device-independent random number generation through fiber channels”为题，发表于Light Sci. Appl., 14, 25 (2025)。

图1 单方设备无关随机性验证和量子随机数产生

二、轨道角动量光场多自由度混合纠缠态制备

拓展纠缠态的自由度对于提升纠缠态携带信息的能力具有重要意义。光电研究所苏晓龙教授研究组和王海教授研究组合作，在实验制备连续变量与离散变量混合纠缠的基础上，引入轨道角动量自由度，实现了携带轨道角动量混合纠缠态的制备。该工作实验制备了涉及猫态、光子偏振和轨道角动量三个自由度的混合纠缠，为混合量子信息处理提供了新的量子资源。研究成果以“Hybrid entanglement carrying orbital angular momentum”为题发表于Sci. Bull., 70, 876 (2025)。

图2 携带轨道角动量混合纠缠的实验原理和结果

三、里德堡集体激发态退相干抑制

里德堡集体激发态的研究已在光量子技术的许多方面取得了显著进展。然而，原子的热运动导致了里德堡集体激发态的快速退相干，极大阻碍了其在量子光学领域的进一步发展。激光光谱研究所贾锁堂教授、赵建明教授和焦月春教授研究团队在抑制里德堡集体激发态运动退相干的研究中取得重要进展。研究团队发展了一种全光操控量子态映射的新方案，有效抑制了实空间中原子热运动导致的里德堡集体激发态的退相干。该工作对里德堡量子多体物理和其他量子技术的研究开辟了新的前景。研究成果以“Suppression of motional dephasing using state mapping”为题发表于Phys. Rev. Lett., 134, 053604 (2025)。

图3    a.里德堡集体激发态的自由退相和消除退相后相位的对比; 

b.自由退相和抑制退相后读出信号的比较

四、基于光量子芯片产生连续变量纠缠簇态

簇态作为一种特殊的量子纠缠态，能够在多个量子比特之间建立复杂的量子纠缠，是实现高效量子计算和量子网络的关键。然而，传统的量子光子芯片在制备大规模纠缠簇态时面临随着比特数的增加量子纠缠的制备成功率呈指数下降的巨大挑战，严重限制了其应用的扩展。光电研究所苏晓龙教授课题组，联合北京大学王剑威教授与龚旗煌院士课题组，成功实现了基于集成光量子芯片的连续变量纠缠簇态的确定性制备、调控和实验验证，这一突破填补了连续变量光量子芯片领域的空白，并开辟了大规模量子纠缠制备和操控的新技术路径，为连续变量量子计算和量子网络的实用化奠定了技术基础。研究成果以“Continuous-variable multipartiteentanglement in anintegrated microcomb”为题发表于Nature 639, 329 (2025)。

图4 基于集成频率梳微腔的连续变量多组份纠缠态制备、调控与探测示意图

五、原子记忆纠缠交换随机数产生

纠缠交换通过将两个独立纠缠对进行贝尔态测量，实现纠缠距离的拓展，是实现量子中继的关键。但此前，由于自旋波读出效率低、存储时间短、背景噪声大等技术瓶颈，基于原子系综存储的纠缠交换未能实现。光电研究所王海教授、李淑静教授带领的研究团队在冷原子系综中成功实现了量子存储的纠缠交换，并借助空间复用技术将成功率提升三倍，这一突破向实用化量子中继器迈出了重要一步。相关研究成果 以“Entanglement swapping with spatially multiplexed modes in an atomic-ensemble quantum memory in a single excitation regime”为题发表于Optica, 12, 274 (2025)。

图5 原子系综中量子记忆模式之间纠缠交换原理图

a.纠缠产生; b.纠缠交换。

六、时间位错拓扑晶格

拓扑物态是一种与拓扑学相联系的全新量子物态，对系统内部涨落和外部扰动具有天然的拓扑保护鲁棒性，在材料科学、量子信息和量子精密测量领域有着非常重要的应用价值。拓扑边界态是拓扑物态的最重要特征之一，通常出现在拓扑非平庸体系的边界、缺陷或界面处。近年来，空间位错缺陷与动量空间拓扑相互作用所诱导的拓扑位错模式在国际上吸引了广泛关注。激光光谱研究所贾锁堂教授、梅锋教授带领的研究团队在周期性驱动含时体系中，通过在不同空间区域引入时间位移，成功构建了时间位错拓扑晶格，将拓扑边界态的研究范畴从传统的空间维度拓展至时间维度，为探索新奇拓扑物态及其量子调控提供了全新的自由度。研究成果“Observation of higher-order time-dislocation topological modes”发表于Nat. Commun., 16, 2050 (2025)。

图6 空间位错和时间位错拓扑物态

七、固态范德华异质结构中软物质诱导的有序性

DNA不仅是遗传信息的载体，更是一种可编程的生物材料。DNA分子具有原子级精准的结构、高度可控/可预测的碱基互补配对作用以及优异的自组装能力，这些特性为构建结构精准、尺寸可控、功能多样的纳米结构创造了条件。但如何将DNA纳米结构整合到经典的二维材料中，并作为核心功能层调控二维材料的电学特性，仍是一个具有挑战的科学问题。光电研究所韩拯教授团队，通过将DNA折纸二维晶格与二维范德华材料结合，构建出独特的二维软-硬物质界面，并观察到DNA折纸二维晶格对石墨烯电子态的调控作用，展现了周期性软物质在物态调控中的独特价值，拓展了DNA折纸二维晶格在纳米电子学等领域中的潜在应用。研究成果以“Soft-matter-induced orderings in a solid-state van der Waals heterostructure”为题发表于Nat. Commun., 16, 2359 (2025)。

图7 DNA纳米结构与多维异质材料协同构筑的纳米电子器件示意图

八、手性诱导非互易量子关联

“手性”即物体与其镜像的不对称性，广泛存在于自然界中，在物理基本定律、化学反应、生物结构、材料工程乃至星系分布中发挥着关键作用。在量子物理学领域，手性为控制光与物质相互作用提供了强大工具，助力实现手性量子网络、手性成像和定向光子传输。然而，既往研究多集中于相干光或单光子的单向调控，当前迫切要求实现无经典对应物的非互易量子效应。光电研究所申恒教授团队，在非厄米系统非互易量子关联研究方面取得了重要进展。研究团队基于飞行原子的手性非厄米体系，展示了手性诱导的双通道间非互易量子关联。该成果为实现单向量子效应开辟了新路径，有望推动定向量子网络和非互易量子计量等新兴方向的发展。研究成果以“Chirality-induced quantum non-reciprocity”为题发表于Nat. Photon., 19, 840 (2025)。

图8 手性诱导的量子非互易性

九、压缩激光

与压缩态光场相比，压缩激光同时兼顾了经典激光的相干性与压缩真空的量子性，在量子光学领域甚至更广阔的物理学领域具有潜在的应用价值。然而，现有激光激发和压缩态制备方案均无法实现光场相干性与量子性的统一，这为压缩激光的实验制备带来了巨大挑战。光电研究所郑耀辉、王雅君教授带领的科研团队采用压缩库增强光学参量耦合新方案，实现了一种压缩激光新型光源。该项研究基于高压缩度压缩态光场制备技术，利用压缩真空态编辑光学参量耦合中真空库的技术方案，解决了激光相干性与压缩态量子性无法统一的难题，首次在实验上制备了高功率、窄线宽、高压缩度压缩激光全新量子资源。研究成果以“Reservoir-engineered squeezed lasing through the parametric coupling”为题发表于Phys. Rev. Lett., 134, 243803 (2025)。

图9 压缩激光原理示意图

十、量子压缩感知单光子动态成像

随着无人机数量的激增和飞行活动的日益频繁，无人机的有效监管对航空安全和公共安全具有重要意义，因此无人机探测技术的研究尤为重要。但在实际环境中，面临散射截面小、光信号微弱、背景环境复杂等问题，成像过程极易受到背景噪声的干扰。激光光谱研究所肖连团教授、胡建勇副教授研究团队提出了一种基于量子压缩感知的被动单光子动态成像技术，实现了离散、随机光子探测的频域稀疏信号的重构，探测带宽达2.05 GHz，将小型无人机探测距离成功拓展至10 km范围，推进了单光子成像在现实场景中的应用。研究成果以“10-km passive drone detection using broadband quantum compressed sensing imaging”为题发表于Light Sci. Appl., 14, 244 (2025)。

图10 无人机探测示意图

十一、病理图像关键特征精细化表征

病理全切片图像是临床疾病诊断的"金标准"，但其超十亿像素级的庞大规模和复杂的组织异质性，使传统人工智能模型面临特征表示不充分的问题，进而导致微小病灶漏诊。物理电子工程学院贾晓军、梁美彦教授带领的智能感知与计算团队在图像处理领域取得突破性进展。研究团队开创性提出多尺度分层异构网络，该技术通过构建跨尺度层次化异构图模型，实现了病理图像中关键特征的精细化表征，从百亿级像素中精准筛选异构样本，解决了现有图神经网络将特征表示不充分的问题，实现了200×200微米转移病灶的定位。研究成果以“NSB-H2GAN: ‘Negative Sample’-boosted Hierarchical Heterogeneous Graph Attention Network for Interpretable Classification of Whole-Slide Images”为题目发表于IEEE Trans. On Image Processing, 34, 4215 (2025)。

图11 NSB-H2GAN模型框架

十二、原子相互作用诱导非线性拓扑边界态

非线性拓扑光子学是拓扑光子学与非线性光学交叉融合的前沿领域，主要研究非线性效应对拓扑特性的影响，探索及调控相互作用系统中的拓扑物态。然而，对于具有高度可调控性的超冷原子系统，将拓扑模型和可调非线性有效结合仍面临许多难题，限制了在原子系统中对非线性拓扑物理的研究。激光光谱研究所马杰教授实验研究组，基于超冷铯原子的动量态合成了一维三聚体晶格，利用超冷铯原子的宽带Feshbach共振大范围调节原子相互作用，在动量晶格中实现了可调控的非线性，观测到由原子相互作用诱导的非线性拓扑边界态。该工作开启了在超冷原子系统中研究非线性拓扑物理的新方向。研究成果以“Observation of nonlinear edge states in an interacting atomic trimer array”为题发表于Light Sci. Appl. 14, 296, (2025)。

图12 合成具有可调相互作用的拓扑原子三聚体阵列

十三、钙钛矿近红外成像芯片

近红外成像芯片在安防监控、自动驾驶、生物识别、消费电子等领域具有重要应用。然而，传统的硅、锗、铟镓砷等器件存在制备工艺复杂、温度敏感、工艺复杂等问题，导致其制造成本高、成像质量差、难以与柔性基底兼容、集成困难等问题，制约了其广泛应用。激光光谱研究所肖连团教授、杨志春副教授研究团队通过低温溶液印刷窄带隙锡铅钙钛矿，并引入二苯基亚砜分子解决了锡铅钙钛矿结晶速度过快及易于氧化的关键问题，获得了高质量钙钛矿薄膜，构建了p-i-n异质结近红外光电探测器，技术指标达到国际前沿水平。该工作充分展示了金属卤化物钙钛矿材料在近红外波段的应用价值，为高性能、低成本近红外成像芯片的设计与开发提供了新的技术选项，推动了钙钛矿光电子器件的产业化应用。研究成果以“A monolithically integrated near- infrared imager with crystallization- and oxidation-modulated tin-lead perovskites”为题发表于Light Sci. Appl., 14, 304 (2025)。

图13 钙钛矿近红外探测与成像芯片关键性能及实际应用

十四、kHz频段明亮压缩光

在量子传感的实际应用中，生物成像、医学诊断、光纤通信和等离子体传感等多种场景都要求激光工作在较低功率。现有的低频压缩光主要是压缩真空态，但其功率极低，难以满足应用需求。当前，光学参量放大技术，由于泵浦光低频噪声导致无法直接产生kHz低频段明亮压缩光。光电研究所王雅君教授和郑耀辉教授带领团队，提出非经典混合式主被动功率稳定新方案，首次在实验上实现了毫瓦级、kHz–MHz 宽频段的明亮振幅压缩光。该成果为精密测量、生物成像及量子传感等领域提供了新的量子资源，并为下一代量子增强技术的发展奠定了基础。研究成果以“Bright squeezed light in the kilohertz frequency band”为题发表于Light Sci. Appl., 14, 310 (2025)。

图14 kHz频段明亮压缩光的制备原理图

十五、室温原子存储模块确定性非局域量子逻辑门

量子计算的可扩展性是提升性能的关键，然而，不可避免的退相干现象限制了量子计算机的规模。模块化量子处理器及量子互联的分布式架构为突破该瓶颈提供了新路径，其中，分布式量子逻辑门是分布式量子计算的基础。目前，分布式量子逻辑门已经在不同类型的物理平台实现，但仍然受限于概率性、复杂性以及低温技术等问题。光电研究所彭堃墀院士领导的非经典光场产生与应用实验室——贾晓军教授及闫智辉教授课题组在腔增强室温原子模块中实现了确定性分布式量子逻辑门。该系统具备良好的实用化前景，适用于非经典光场的量子信息处理，为促进量子信息的发展提供了技术支撑。研究成果以“Deterministic nonlocal quantum gate with room-temperature memory modules”为题，发表于Phys. Rev. Lett., 135, 130806 (2025)。

图15 分布式量子逻辑门示意图

十六、驱动耗散里德堡气体多重时间晶体

时间晶体，打破了时间平移对称性，在时间维度中形成稳定的秩序，被誉为“物质新形态的奇迹”。激光光谱研究所贾锁堂教授团队里德堡量子技术实验室—赵建明教授和焦月春教授课题组，在里德堡非平衡动力学研究中取得重要进展，团队利用驱动耗散的里德堡气体观测到多重时间晶体。该工作为探索开放系统中的非平衡物态提供了新方法，为观测量子多体系统中相互作用、耗散和同步之间的丰富相互作用提供了新的理解，有望在量子计量、量子传感和时间晶体秩序作为频率标准等方面发挥重要作用。成果以“Observation of multiple time crystals in a driven-dissipative system with Rydberg gas”为题发表于Nat. Commun., 16, 8767 (2025)。

图16 多重时间晶体相的实验观测

十七、磁性量子材料光电散粒噪声特性研究产生

体光伏效应起源于位移光电流和注入光电流等内禀二阶非线性光电流响应，在光电器件设计和太阳能转换方面具有重要作用。最新研究表明，这些二阶非线性光电流还可用于探测量子材料中的量子几何和拓扑性质研究。但二阶非线性光电流只能存在于中心反演对称破缺的量子材料中。激光光谱研究所张磊教授和理论物理研究所陈君教授课题组在磁性量子材料光电流散粒噪声理论方面取得重要进展。研究团队建立了光致直流散粒噪声的统一理论框架，首次揭示了两类仅在PT对称性破缺时出现的“磁性DSN”物理量。该方法可在无需电极接入、无净光电流的条件下，通过DSN探测材料的量子几何、磁相、层数奇偶与自旋纹理等特性。研究成果以“Shot Noise of Photocurrents in Magnetic Quantum Materials”为题，发表于Phys. Rev. Lett., 135, 166702 (2025)。

图17 光致直流散粒噪声的物理图像

十八、热里德堡原子系统Floquet驱动离散时间晶体生

离散时间晶体是一种打破离散时间平移对称性的新型量子物相，即使在持续的耗散下，这种物相也展现出稳定的周期性动力学行为。激光光谱研究所贾锁堂教授里德堡量子技术实验室—赵建明教授和焦月春教授课题组，在Floquet驱动的里德堡多体系统研究中取得重要进展。团队通过Floquet驱动双稳里德堡系统，观测到了离散时间晶体相，并揭示了双稳态与离散时间晶体相之间的联系。研究工作为探索耗散相互作用等多体系统中各种奇异非平衡物理现象提供了广阔的平台，对凝聚态物理和量子光学领域具有重要意义。研究成果以“Photoionization-induced Floquetdriving of a discrete time crystal in a thermal Rydberg ensemble”为题发表于Phys. Rev. Lett., 135, 163603 (2025)。

图18 Floquet驱动的里德堡多体耗散系统

十九、压缩态增强多相位量子传感

激光干涉仪凭借高精度的测量水平，在天文学、工程测量、地震学等等精密测量领域都有广泛应用。而借助量子资源的量子干涉仪可以突破经典噪声极限的限制，进一步提升测量精度，目前已经在引力波探测、电磁场测量等领域被广泛应用。但是，由于受到光场量子态的高效利用及多参数的复杂结构等困难限制，构建用于多相位传感的高灵敏干涉仪仍然具有挑战性。光电研究所由彭堃墀院士领导的非经典光场产生与应用实验室——贾晓军教授、闫智辉教授课题组，在压缩态增强的干涉仪中实现了多相位的量子传感。该工作进一步推动了量子干涉仪的实用化进程，为促进量子精密测量在生物、医学等领域应用的发展提供了技术支撑。研究成果以“Quantum-Enhanced Interferometer for Multiphase Sensing”为题，发表于Phys. Rev. Lett., 135, 183602 (2025)。

图19 多相位传感的量子干涉仪示意图

二十、狄拉克点处动量空间量子化涡旋

狄拉克点作为能带结构中的简并奇点，广泛存在于多种二维量子材料中。其独特的拓扑性质导致了包括电子奇异输运、手性效应和量子霍尔效应在内的丰富物理现象。在石墨烯、光子晶体以及光晶格冷原子等体系中，狄拉克点已成为模拟和研究拓扑物理的重要平台。然而，直接观测狄拉克点处的量子多体拓扑物态仍面临极大挑战。光电研究所张靖教授课题组，基于自主搭建超冷原子实验平台，在石墨烯类蜂巢光晶格中，首次实现了狄拉克点处动量空间量子化涡旋的直接观测。这一研究揭示了由谐振子势与狄拉克点处赝自旋轨道耦合的非对易性诱导量子化涡旋的新机制，为探索多体量子系统中的拓扑物态提供了全新途径。研究成果以“Observation of quantized vortex in atomic Bose-Einstein condensate at Dirac point with emergent spin-orbit coupling”为题发表于Nat. Photon., 19, 1264 (2025)。

图20 实验方案与原理

a.实验装置示意图; b.狄拉克点处的自旋轨道耦合;c.能带结构与量子化涡旋态

二十一、可编程高阶非平衡拓扑相

高阶拓扑物态从根本上深化了拓扑体-边对应原理，揭示出拓扑保护现象可存在于维度更低的嵌套边界中，例如零维拓扑角模。这类拓扑保护的零能模具有非阿贝尔统计特性，为拓扑保护的量子信息处理提供了全新的物理实现平台。然而，如何在量子比特体系中实现并探测高阶拓扑物态，仍是当前国际上面临的前沿科学挑战。激光光谱研究所贾锁堂教授、梅锋教授课题组，与中国科学技术大学潘建伟教授团队合作，在国际上首次实现并探测了高阶非平衡拓扑物态。该工作标志着量子模拟在探索高阶拓扑和非平衡物态方面取得了重要突破，为下一步利用可编程量子信息处理器在非平衡强关联拓扑物态以及在量子模拟中实现量子优势奠定了关键基础。研究成果以“Programmable Higher-Order Nonequilibrium Topological Phases on a Superconducting Quantum Processor”为题发表于Science, 390, 930 (2025)。

图21 a.平衡和高阶非平衡拓扑物态示意图; b.平衡高阶拓扑物态量子比特阵列;

c.平衡高阶拓扑不变量; d.平衡高阶拓扑能谱; e.平衡高阶拓扑态局域密度探测。

二十二、公里级分布式腔光力传感器

传感器网络通过广泛分布的传感器节点，能够全面采集目标信息，在智慧城市、物联网、油气工业和地震监测等领域具有重要的应用价值。腔光力体系作为一种新兴的超灵敏传感技术，已成功实现对应力、位移、磁场等多种物理量的高精度单点式传感。然而，将现有单点式腔光力传感器直接用于构建传感网络仍面临关键挑战，其核心难题在于如何将多个传感器与长距离标准单模光纤实现低损耗、无缝融合，并确保信号光在长距离传输中不受单模光纤退偏导致的偏振扰动影响。光电研究所李永民教授课题组和申恒教授课题组合作,在腔光力传感器领域取得重要进展，提出了一种新型磁力计—光纤腔光力磁力计的构建方案，基于该新型磁力计，研究团队结合波分复用技术，在国际上首次实验实现了公里级腔光力光纤传感网络，并成功对三维磁场进行了高灵敏分布式测量。该工作为光纤传感领域引入了新的物理机制，同时拓展了腔光力学的应用范围，为光纤传感与腔光力学两领域的深度交叉融合提供了新思路。研究成果以“Optomechanical sensor network with fiber Bragg gratings”为题，发表于Nat. Commun., 16, 10795 (2025)。

图22 腔光力传感网络

a.传感网络的实验装置；b.光纤腔光力磁力计示意图；c.光纤腔光力磁力计的实物图;

 d.光栅的反射光谱；e.光纤机械振子与Terfenol-D机械振子的振型

以上成果是学院广大科研人员长期耕耘、辛勤工作的结果。在此，我们向所有取得突破的科研团队及合作者表示热烈祝贺！也向默默支持学院发展的全体师生、校友及社会各界致以衷心感谢！

科技创新永无止境。展望未来，学院将继续聚焦国际学术前沿与国家战略需求，优化科研布局，强化交叉融合，营造潜心治学、追求卓越的学术氛围，力争产出更多具有国际影响力的原创性、引领性成果，为学校“双一流”建设与国家高水平科技自立自强贡献更大力量！

责编丨张   姝

二审丨马   瑞

三审丨李志芳