强大的基础科研能力正不断推动从“0到1”的原始创新。近日，广州多项原始创新成果荣膺2024年度广东省科学技术奖。中山大学物理学院教授王猛凭借镍基超导材料体系的重大发现荣获青年科技创新奖；华南师范大学物理学院朱诗亮教授团队“基于冷原子的量子调控研究”荣获自然科学奖一等奖。
这些重大的基础科研发现，有望在未来如何改变我们的生活？本期《科技周刊》，记者前往一探究竟。
中大科研团队：研制新型量子纠缠光源登《自然》
近年来，广州在量子科研领域佳报频传。7月9日，《自然》杂志在线发表了中山大学物理学院王雪华、刘进教授团队主导的最新研究成果。团队提出了一种全新的腔诱导自发双光子辐射方案，在国际上率先实现与单光子辐射强度相当的自发双光子辐射，研发出保真度高达99.4%的按需触发式新型微纳量子纠缠光源。这一成果将为新一代量子精密测量技术的发展，以及功能化光量子信息处理芯片的构建提供关键支撑。
在量子世界里，一对光子能像心灵感应的双胞胎——即使相隔万里，测量其中一个，另一个也会瞬间“回应”。这种神奇的量子纠缠，在量子计算、量子通信和量子精密测量等多个领域发挥着至关重要的作用。相较于让光子随机“结对子”，团队选择直接培育光子“双胞胎”，让它们自诞生时便具备“量子羁绊”，实现量子纠缠。
早在20世纪60年代，研究人员就已提出相关的理论预言，但由于原子总是倾向于一次只辐射一个光子，“双胞胎”光子的产生概率远远低于单光子产生概率，实验上几乎无法观测。近40年来，众多研究团队进行了多种实验尝试，但仍未在该领域取得实质性突破。
如今，半导体材料生长与器件加工技术的突破为自发双光子辐射的实验提供了关键支持。团队设计了超高品质的光学微腔，这种光学微腔为“双胞胎”光子的产生搭建了专属通道，在实验中将双光子的辐射效率从小于0.1%提升到了约50%，从而使制备可控触发的纠缠光子对源成为可能。
该研究基于纳米尺寸的固态“人造原子”结构，提出了一种腔诱导的自发双光子辐射方案，在国际上率先实现了与单光子辐射强度相当的自发双光子辐射，突破了“光子辐射的二阶量子过程必然远弱于一阶过程”的传统认知，成功制备出保真度高达99.4%的按需触发式新型纠缠光子对源。
《自然》杂志审稿人高度评价这一成果，认为其是“双光子研究领域的突破性进展”“实现了保真度创纪录的纠缠光子对”。
中山大学王猛团队：发现镍基材料超导电性
何为超导：超导是指某些物质在一定温度和磁场条件下电阻降为零的现象。超导技术因其零电阻和完全抗磁性等特性，在能源、医疗、交通等多个领域应用广泛，从磁悬浮列车、核磁共振，再到将来量子计算机的制造，都离不开超导材料。但材料要产生超导特性，温度必须低于某个数值——超导临界温度。
王猛长期从事高温超导实验研究。
镍基超导实现80K转变温度
人类在1911年发现超导现象时，汞的超导临界温度只比绝对零度（-273.15℃）高了4.2℃。百年来，科学家一直在寻找临界温度更高的超导体，直到1987年，我国著名物理学家赵忠贤院士才发现了首个突破液氮温区（-196.56℃）的铜基超导体，此后36年间，再无新的非常规超导材料体系能够突破液氮温区。
2023年，中山大学王猛教授团队率先发现了高质量镧镍氧（La3Ni2O7）纯相单晶样品在14GPa压力下实现超导电性，转变温度高达80K（约为-193.15℃）。这一发现让镍基超导成为铜基超导外，第二类转变温度达到液氮温区的非常规超导体，《Nature》杂志评价其是一项突破性成果，同年入选“两院院士评选2023年中国十大科技进展新闻”“2023年中国重大科学、技术及工程进展”。
时隔两年，谈及这一科学发现，王猛坦言：“在比较长的一段时间里，我常处于非常兴奋的状态，每天晚上都要在学校的操场上散步至少半个小时，靠运动来平复激动的心情。”
“从开始研究到最终发现镍基超导体，最大的挑战是不确定性。当我们在‘无人区’做研究时，你不知道方向在哪里，也不知道路径是什么。我们坚持了三年半，才有了后面的发现。”王猛认为，做基础研究就是要锚定一个重要的、有可能产生突破性成果的研究方向，同时以平常心去开展日常研究，“我一直都有一个目标，就是探索新的高温超导材料体系。”
当然，科研专业能力的培养也非常重要。王猛曾在中国科学院物理研究所超导国家重点实验室攻读博士，接受赵忠贤院士、陈仙辉院士等超导领域顶级专家的指导，“当我发现液氮温区镍基超导后，专门来到松山湖材料实验室向赵忠贤院士作汇报，他非常高兴，给我们提出了很多具体的建议。现在，我们还与陈仙辉院士团队一起开展镍基超导体的研究。”
据不完全统计，在王猛发现镍基高温超导体后，国内外已经有至少50家科研机构加入镍基超导体的研究，“我最明显的感受不是竞争，而是合作。”
镍基超导材料
在薄膜中实现常压镍基超导
当前，国内外对这一新超导材料体系的研究仍处于基础研究阶段。两年来，王猛团队的工作主要集中在两方面：
第一，继续探索镍基超导的内在机理。“我们发现了镍基超导，但还要破解它能在高温下实现超导的内在原因，这样才能帮助我们设计出性能更好的高温超导材料。”
第二，继续探索发现更具应用性能的高温超导材料。“我们希望这种材料有很好的延展性，方便它设计成各种形状，有更好的应用前景。”
随着科学家不断深入认识镍基超导，两年来有很多重要的突破。“比如国内外的团队在薄膜当中利用镍基超导体实现了常压超导，不再需要加压环境，为镍基超导体应用探索扫除了障碍。目前，相关科研正在快速推进，应该很快见到更多新的成果。”
大湾区科研环境越来越好
王猛告诉记者，近年来，他感到广东省对基础科研领域越来越重视，“特别是针对我所在的超导、量子领域，大湾区成立了很多新型研究机构，引进了一大批青年人才，也有很好的基础科研条件，还给予经费支持和政策支持，非常有利于我们开展前沿基础研究。”
“广东的基础科研文化氛围非常好，有一大批从事超导领域、量子科技领域研究的顶尖科学家，如赵忠贤院士平时主要在松山湖材料实验室，薛其坤院士则在南方科技大学，这些都是无法取代的优势。”
记者了解到，王猛教授团队曾获得广州市基础研究“三航”计划项目立项资助。该计划以“启航—续航—领航”三步搭建青年科技人才成长阶梯，累计助力3200多名青年博士在科研起点上瞄准前沿、勇攀高峰。
华师朱诗亮团队：为量子计算机做“量子硬盘”
何为“基于冷原子的量子调控研究”？朱诗亮教授首先向记者解释冷原子的概念，在室温状态下原子的运动速度可达1000米/每秒，原子的运动速度与温度密切关联，温度足够低，原子的速度就会足够慢。当原子的运动速度达到厘米每秒的量级，就可以用科研设备将“冷原子”抓住。值得一提的是，在实验室内，团队并非依靠降温，而是依靠激光不断撞击原子来减慢其运动速度，“利用一个冷原子，就可以制作出一个量子比特。”
“量子调控是量子科学中一项关键技术，主要就是调控量子态，以实现量子保密通信、量子因特网、量子精密测量等。”朱诗亮介绍，在量子态存储方面，团队克服了量子存储实验中普遍存在的耦合强度低、退相快、噪声大等难题，实现了85%的存储效率和99%保真度的单光子偏振态存储，首次超过了量子不可克隆极限（50%）。此外，团队在量子态传输方面，提出理论并实验，实现了保真度高和速度趋近量子速度极限的量子态传输，入选“中国光学重要成果”，这些新方法被国内外同行应用到多个不同量子体系的量子调控实验中。
华南师范大学超冷原子实验室的磁光阱装置。受访者供图
“超过量子不可克隆极限（50%）非常关键，达到85%更是重要突破。未来，量子计算机既要有处理器，也要有存储器。给量子计算机做存储器，量子存储效率很重要，如果低于50%的话，就相当于量子计算机存储的信息有超过一半读取不出来。我们现在把它提高到85%以上，准确率大大提升。”
朱诗亮透露，每一个冷原子是一个量子比特，如果用100个冷原子做成量子存储器，理论上所能存储的数据量将是2的100次方，“这是一个非常大的数据，这也是为什么我们称量子计算机是一项颠覆性技术。”
朱诗亮告诉记者，学校于2008年开展量子科学领域的研究，在广东省教育厅的支持下，建立了量子信息技术重点实验室。2013年，学校在广东省科技厅的支持下，建立了量子调控工程与材料广东省重点实验室，并启动了量子科学技术的重点研发计划。
“下一步，我们要做量子计算、量子通信、量子精密测量方面的应用。”朱诗亮介绍，团队成立了一家量子科技的产业化公司。目前，公司设计的太赫兹相机主要应用于安检、医学成像及通信领域。与传统的X光相比，太赫兹相机无需担心电离辐射。此外，该公司还在开发国内第一套可搬运的原子微波天线。“大家看到的天线面积都比较大，但利用冷原子做原子微波天线，则可以用很小的面积实现很高的探测精度。”朱诗亮说。
统筹编辑：梁倩薇、嵇沈玲
文/广州日报新花城记者：武威
图/广州日报新花城记者：王维宣（除署名外）
