学科简介

 中国科学技术大学自旋物理学科主要以自旋为研究对象，瞄准量子信息物理学的科学和技术发展前沿，研究方向包括：量子计算和量子模拟、量子精密测量、量子物理和理论、量子器件、量子技术和仪器等方向。依托中国科学院微观磁共振重点实验室，实验室专注于自旋量子物理及其应用的研究，是国内自己培养成长起来、在自旋量子调控领域具有国际知名度的研究室。多年来自主研发了一系列国际领先的自旋量子物理实验技术和实验装备，并用以在量子计算、量子模拟、量子精密测量等方面做出了系列具有重要国际影响的研究成果。

现有教职员工30余人，每年担任多门本科生基础课、研究生基础课和专业课等课程的教学。

主要研究方向及研究团队

一、量子计算和量子模拟：

（1）量子计算方向，发展高精度多比特量子自旋操控技术，实现通用量子逻辑门保真度超过容错量子计算的阈值要求；研究基于不同自旋体系的量子计算方案，探索磁、力、光等多种数据总线的方式，实现自旋量子比特间的高效耦合；开展量子算法的实验研究，研究量子线路、单程量子计算、绝热量子计算等多种计算模型，探索适合自旋系统量子计算原型机特点的计算模型。实验实现量子人工智能算法，演示解决模式识别、异常检测等大数据处理任务，展示其与经典算法相比的优越性。

（2）量子模拟方向，发展基于自旋的高性能量子模拟器及其操控技术，用以实现对拓扑材料、复杂分子、长程相互作用自旋体系等的量子模拟，完成对拓扑不变量、拓扑量子相变及拓扑激发等重要物理量和物理性质的测量与观测。

 负责人：彭新华教授   Email: xhpeng@ustc.edu.cn

二、量子精密测量：

（1）纳米分辨率磁成像。金刚石氮-空位中心（NV 色心）作为单自旋量子传感器，实现纳米空间分辨率的磁成像；并对磁畴、斯格明子等磁性材料进行纳米分辨率磁成像，揭示其物理特性，研究其磁相变临界现象等；通过硅材料中的单个原子作为探针，来表征器件内部的应力、电场等对器件迁移率直接相关的参数，并通过微米磁体的辅助实现三维的高分辨率的表征。

（2）高灵敏度磁探测。发展超高灵敏度原子磁传感的新原理新方法，发展以气态碱金属原子自旋以及惰性核自旋作为磁敏感介质的新型磁传感方法，朝亚飞特斯拉级的磁场测量灵敏度推进。

（3）单分子科学。发展单分子磁共振谱学技术，实现具备原子分辨能力的单分子谱学技术，研究单分子结构和功能，在活细胞原位实现重要膜蛋白质的结构和功能研究技术和科学的突破。

 负责人：石发展教授   Email: fzshi@ustc.edu.cn

三、量子物理和理论：

（1）宏观量子效应实验研究我们利用单自旋量子态与纳米机械系统以及低维系统（如自旋波，拓扑边缘态等）的宏观元激发相互作用作为实验系统开展宏观量子效应研究。同时开展的方向还有非标准模型的相关实验研究。

（2）理论方向，以基于量子力学的第一性原理计算为主要手段，开展固体中的点缺陷、二维材料和表面在内的基态和低激发态几何和电子结构、光电磁性质的研究。探索用于量子传感器和量子比特的潜在自旋体系。

 负责人：段昌奎教授   Email: ckduan@ustc.edu.cn

四、量子器件：

（1）金刚石固态量子器件。系统的开发金刚石生长、制备、加工与封装一整套工艺，与发展微波、光学、声学等多自由度的物理调控手段，来研究其在高灵敏磁探测、可扩展量子计算、基础物理等方向的应用。在工艺上，实现超纯金刚石的生长，NV色心的高效精确制备，光纤或光学微腔集成的光学系统，制备出具有高灵敏，小型化的金刚石传感器。

（2）纳米电子学量子器件。氧化物材料具有凝聚态物理里几乎所有的物理现象。我们利用纳米尺度的原子力显微镜针尖在氧化物“画板”上“作画“而制备各种量子器件，从而发展出量子纳米电子学，这些氧化物量子器件具有传统半导体量子器件所不具备的很多电子电子关联现象，比如说纳米线具备本征超导特性特等。

（3）量子发光材料。利用低简并发光材料的自旋态与手性光相互作用的规律，制备低阈值的手性激光器，并且实现对手性激光的波长转换，拓展手性激光的应用范围。

 负责人：程光磊教授   Email: glcheng@ustc.edu.cn

 王   亚教授   Email: ywustc@ustc.edu.cn

 尹春明教授   Email：chunming@ustc.edu.cn

五、量子技术和仪器：

（1）量子控制技术是认识并利用微观世界的必然诉求，也是诸多前沿科学领域的核心要素。量子信息研究中的量子态制备、抑制量子消相干过程、量子逻辑门的执行、量子纠缠态制备与保护等等从本质上都可以归结为量子控制问题。针对固态自旋量子体系的特点，发展先进的量子控制技术和方法，实现精确可靠的量子控制,为基于自旋的量子计算及量子精密测量提供重要基础。

（2）高速高精度电子学技术。研究内容包括高速电路设计、高速FPGA设计、高精度控制与高速信号提取、人工智能与硬件加速、仪器控制软件设计等方面。研究高速高精度任意波形发生器、任意序列发生器、瞬态波形记录仪、精密时间测量仪等世界前沿的的电子学技术和设备。

（3）金刚石自旋量子成像技术和仪器。使用金刚石中的氮-空位自旋作为传感器，基于量子精密测量原理，结合量子算法，研究纳米尺度上磁场和电场量子精密测量和成像新原理和新方法，空间分辨率达到亚纳米。研发指标领先的技术和自动化仪器装置，研制金刚石量子精密测量谱仪、纳米磁共振实验仪器、强场超低温磁成像仪器等，为前沿科学研究提供先进、可靠的研究手段。

  负责人：荣  星教授   Email: xrong@ustc.edu.cn       

学科学术带头人简介：

杜江峰，中国科学院院士，中国科学技术大学教授， 教育部特聘教授，国家杰出青年科学基金获得者，国家重大科学研究计划项目首席科学家，首批国家“中青年科技创新领军人才”入选者，新世纪百千万人才工程国家级人选。长期从事量子物理及其应用的实验研究，是国际上自旋量子计算和模拟、量子精密测量实验研究方面有突出贡献的学者之一。在包括Science (3篇)、Nature (2 篇)、Nature 子刊(13 篇)、Phys. Rev. Lett. (34 篇)在内的国际学术期刊上发表论文 200余篇，SCI 他引 5200 余次。应邀在美国物理学会和化学学会、亚太顺磁共振学会等举办的国际会议上做特邀报告。成果多次入选中国十大科技进展新闻、中国科学十大进展、中国高校十大科技进展。曾获得国家自然科学奖二等奖（2012年）、教育部自然科学奖一等奖（2011年、2018年）、中国物理学会黄昆物理奖（2010-2011年度）、何梁何利科学与技术进步奖（2019年）、周光召基金会“基础科学奖”（2016年）、首届全国创新争先奖状（2017年）、中国分析测试协会科学技术奖特等奖（2015年)等。