“量子物质”首次作为专业术语出现在论文中是在20 世纪90 年代。在2010 年前后，这个概念开始较为广泛地出现于论文和学术活动之中。可以看到，“量子物质”是一个相对新颖的概念，它的内涵也在过去十年中不断得到扩展。在“量子物质”这一概念出现的早期，它一般指凝聚态物理中的强关联电子体系，随着拓扑物态、低维物理和新型磁性等研究领域的兴起，量子物质的研究对象不断增多，内涵日益扩大，目前形成了一个成熟的、覆盖面广泛的前沿领域。

根据自身物理规律的特质以及与不同应用领域的融合情况，可将量子物质与应用这一前沿领域分为超导与强关联体系、拓扑量子物态体系、低维量子体系、多自由度耦合量子物态体系、极端条件下的新奇量子物态以及量子物质的探索与合成六个方向。这六个方向既有各自的研究特点，又相互联系、相互促进。

量子物质和应用前沿领域立足于对物质微观世界中基本规律的探索，着眼于先进功能材料、量子现象和器件的实际应用，是一个基础性和应用性都很强的科学领域。目前，国际上量子物质领域总体仍处于基础研究全面开展和产业应用的培育阶段，未来十年是有望实现多点突破的关键时期。在未来布局上需要追求在应用导向研究和长远探索性研究之间保持均衡发展，既要强调对新物理、新现象、新材料和新物态调控手段的探索，也要重视发挥其在材料、信息、能源等领域的引领作用，使基础研究成为推动社会经济发展的原动力。下面将在超导与强关联体系、拓扑量子物态体系、低维量子体系、多自由度耦合量子物态体系、极端条件下的新奇量子物态以及量子物质的探索与合成六个方向，分别阐述未来十五年的关键科学、技术问题以及发展方向。

一、超导与强关联体系

超导电性是宏观量子相干现象，该领域最重要的科学问题包括：①高转变温度乃至室温超导的实现；②非常规高温超导机理的理解；③超导的低成本和大规模应用。在常压下获得高转变温度的超导体是人们一直追求的目标。基于超导领域中传统的巴丁–库珀–施里弗（Bardeen-Cooper-Schrieffer，BCS）理论，如果能够有效提高德拜温度和电声子耦合常数，超导转变温度理论上是可以提高到室温的。但是，强电声子耦合也将导致晶格失稳，这也是基于BCS理论超导转变温度存在上限（麦克米兰极限）的原因。目前一些轻元素化合物在高压下所表现出来的高温超导基本上属于该理论范畴。如何在低压力，甚至常压下，利用电声子耦合实现高温超导是一个科学难题。实际中二硼化镁超导体的配对机理就是在这种范畴下实现的，其超导转变温度可达40K。

超导电性需要电子的配对和相干凝聚两步才能实现。如果电子具有强的配对势，同时晶格还不失稳，有可能获得更高转变温度的超导。从理论上讲，除了电声子耦合图像之外，还存在一种预期，即利用电子系统自身的强关联效应。根据目前对铜氧化物和铁基这两大类非常规高温超导机理的理解，强关联效应下电子可以形成很强的配对势，如铜氧化物超导体中的配对势可达50meV，甚至更高，同时辅以一定的超流密度，超导转变温度可达到很高的值。在强关联图像下，这些强配对势的库珀对如何形成，是非常规超导机理研究的重点内容。目前认为，对于强关联的电子系统，通过调节其电子排斥势（U）和电子巡游的带宽（w）或动能（t），当两者达到一定的平衡条件时，自然可以获得电子配对态。这个配对态的电子如果能够移动并构成相位关联就形成了超导态。另外，这样的系统中会产生一个局域磁超交换相互作用，帮助电子进行配对。

非常规超导体系还在物性上表现出一些共性的规律，如量子自旋液体、反铁磁涨落、量子临界现象、赝能隙、多种有序相的竞争和合作、严重偏离朗道费米液体理论预期的非费米液体行为等，这些反常物性也是该领域的核心问题。目前关于这些问题主要的困惑在于，既无法找到与赝能隙对应的明确的对称性自发破缺序参量，也无法找到奇异金属行为作为一个量子临界现象所对应的对称性自发破缺相变。这些困惑反映了高温超导机理研究领域的如下核心困难：人们缺乏一个超越朗道框架的系统的低能有效理论图像。高温超导机理问题久议不绝，关键的原因是人们对于非费米液体这一高度纠缠的量子液体的理解还处在初级阶段。建立这样一个超越朗道框架的普适的低能有效理论图像不仅是高温超导机理研究自身的需要，而且也能促成凝聚态物理的重大变革。为此，还有必要发展多体数值计算方法，以得到强关联系统准确的基态、激发态和相变等关键信息。基于电子强关联效应的高温超导机理问题和电子关联性也构成了美国科学杂志《科学》（Science）评选出的125个人类现在面临的重大科学问题（Science，2005）中的2个（第38号：是否有统一解释电子关联性的理论？第42号：高温超导的配对机制是什么？）

超导电力技术发展面临的主要挑战在于：高温超导材料的性价比是否能够做到优于传统的导电材料，低温制冷系统能否具有长期运行的可靠性和稳定性。该方向发展的重点内容包括：面向柔性直流输电系统应用的超导直流限流器、大容量交直流高温超导电缆、用于中高压直流电网的超导储能系统、大功率高温超导电机、多功能复合型超导电力设备等。同时，需要寻找具有应用价值的，临界温度在20～40K，且具有更高临界磁场的新型实用超导材料。此类实用超导材料是目前超导应用探索最迫切的需求，它对发展高场粒子加速器、医疗健康和产业发展等领域至关重要。

以超导微观理论、超导材料机理和多种量子效应为基础，超导薄膜和约瑟夫森结组成器件单元和电路，可以形成传感器、探测器、数字电路、量子比特等多种超导电子有源器件和滤波器等无源器件。相较半导体器件，尽管超导电子器件在灵敏度、噪声、速度与功耗等方面具有无与伦比的性能优势，但目前仅在天文、引力波探测、量子通信以及国防等特殊领域发挥着重要作用。未来十五年，超导集成电路、新材料电子技术、量子技术新原理等将会成为电子信息技术领域的前沿和国际竞争热点。其中超导量子计算在过去二十多年发展迅速，已经从最初的展示宏观电路量子特性的基础研究，发展成一个有可能孕育出变革性新技术的方向。

二、拓扑量子物态体系

目前，人们已经发现了相当数目的拓扑量子材料，其中大部分属于弱关联拓扑绝缘体和拓扑半金属。拓扑材料的高通量计算和非磁性拓扑电子材料数据库的建立，改变了领域内的研究生态，本来作为核心研究内容的拓扑绝缘体的分类和预测被认为已经基本解决。考虑到国家的战略需求、科学问题的内涵和我国已有研究团队的优势，下一步相关基础研究的前沿是预测、发现、调控新型拓扑材料和拓扑量子物态。“新”可以体现在如下几个方面：①与已发现的材料相比，物理性质更为理想的拓扑绝缘体（能隙更大、化学更稳定）和拓扑半金属（费米面更小、迁移率更高）材料，从而为拓扑电子学器件发展提供材料基础。②与磁性、超导电性等效应共存的拓扑物态和其对应的材料，如磁性拓扑绝缘体、磁性拓扑半金属和拓扑超导体。它们不仅是值得深入探索的新颖物态，而且是拓扑物理走向应用的一个重要出口，如磁性拓扑材料有望成为拓扑自旋电子学、拓扑电路互连、高温量子反常霍尔效应等物理效应的理想载体，在信息传感、信息传输、逻辑运算、高密度存储和催化等方面具有巨大的应用潜力；拓扑超导作为马约拉纳准粒子的载体，有望用以发展拓扑量子计算。③打破了传统的“体边对应原理”的新型拓扑量子物态，如高阶拓扑物态、脆拓扑绝缘体、非厄米拓扑体系等。④推动拓扑原型器件的探索：利用新奇拓扑物性，即无耗散的电荷、自旋输运，具有全局稳定高容错性，非局域电、磁、光、热调控等，可用于拓扑量子计算的马约拉纳零能态等，推动原型拓扑器件的探索。⑤光和声是除电子之外另外两个信息载体和媒介，在信息的产生、传播、处理和显示中具有不可取代的作用；拓扑玻色体系的性质具有鲁棒性，有望发展适于光波、声波调控的新应用和新器件。

量子反常霍尔效应在磁性掺杂拓扑绝缘体中的最初观测需要30mK的极低温，这样的温度甚至低于大部分常规超导材料的超导转变温度。这不但极大提高了量子反常霍尔效应相关研究的门槛，还成为制约其实际应用的主要障碍。经过多年的努力，在磁性掺杂拓扑绝缘体系统中量子反常霍尔效应所需的观测温度仅提高到1.4K左右。如果能够将量子反常霍尔效应工作温度提高到液氮沸点以上（≥77K），将使其获得广泛的实际应用。从现有的理论和实验结果来看，在此类材料和磁性绝缘体的异质结构中将量子反常霍尔效应实现温度提高到液氮温区是有可能的，磁性外尔半金属等材料甚至有可能贡献更高温度的量子反常霍尔效应。

拓扑量子计算是未来量子计算的实现途径之一。与超导量子计算等主流途径相比，拓扑量子计算具有本征的容错性，对局域扰动天然免疫，从而大大降低了纠错码的难度，可以实现容错量子计算。但要实现拓扑量子比特仍然有大量的科学和技术问题需要解决：理论上设计出切实可行的编织方案，进一步地考虑可扩展的多拓扑量子比特体系的设计与操作；材料上制备更纯的马约拉纳零能模体系，消除准粒子污染，实现液氦温区甚至更高温度下的马约拉纳零能模；探索可控的马约拉纳零能模操纵手段，实现操纵效率与准粒子寿命、退相干时间的匹配。

三、低维量子体系

目前国际上低维量子体系的研究总体仍处于基础研究阶段，部分材料体系（如碳纳米管、石墨烯、二维硫族化合物等）正迈向产业应用的培育阶段。结合国家需求和领域发展前景，低维量子体系的研究目前在以下四个方向上蕴含大量原创性发现的机会：①新型低维量子体系的创制，以及多种低维量子物态的复合；②低维量子体系的物态调控，以及基于低维量子体系物态调控的器件原型研发；③低维量子材料的大规模制备及其产业化应用；④低维量子体系先进表征手段的研发及其国产化。

低维量子材料的新物态、新效应、新现象层出不穷，还处在迅速发展阶段。基础研究首先要扩大低维材料的研究范围，预测、制备更多的新型材料，并通过在单原子、单电子、单自旋水平上的结构与性能表征，更深入理解新奇物性的起源，进行精准的调控。通过门电压、畴壁、应力、异质结以及堆垛摩尔周期等方式，实现低维材料在原子尺度上的精准修饰和调控，并获得材料体系中光、电、磁等相互作用信息，为通过外场调控低维量子材料的物性奠定基础。还可以用离子插入改变二维材料层与层之间的相互作用，实现对材料物相、物性和功能的调控。

在低维材料的制备、物性表征和调控研究的基础上，利用低维量子材料中光子、电子及其耦合相互作用的新现象、新效应、新物理，探索二维量子材料在面向未来的信息功能器件中的应用。发展和半导体工艺兼容的相关技术和工艺，实现高灵敏度、高速、低功耗自旋逻辑和存储器件，利用该特性发展适合的器件结构，找到器件的构筑办法，解决器件制作的相关问题，研究器件的载流子输运规律，加强器件层面上的凝聚态理论研究。

开发有效的样品生长与转移技术，实现高质量、大面积低维材料的制备和转移加工。对于高品质的低维量子材料，如何实现金属有机物化学气相沉积和外延可控生长仍是一个尚需深入研究的关键问题。高品质量子器件的精准制备能力，是衡量当代一个国家前沿芯片技术和量子计算科学研究水平的重要指标。目前，我国只有少数几个研究机构能够制作出与发达国家水平相匹配的器件，而大多数研究机构只停留在以对低维量子材料进行物理性质表征为目的而制作简单器件结构的阶段，与我们这样一个科技大国的地位不符。低维材料的先进表征技术则是凝聚态实验技术中的标杆。针对国际前沿科学的研究动向和我国实验科学的研究现状，发展原创性核心技术和研发国产设备、打破国外技术垄断是接下来我国表征技术方面的两个主要发展方向。为此，需要发展一系列极限探测灵敏度，极端条件（低温强磁场高压）下空间/时间/能量/自旋分辨的探测技术，以实现对低维体系的电子能带结构、低能元激发超快动力学过程、自旋轨道耦合特性等进行极限探测与操纵。需鼓励对科研设备的自主研发，加强人才培养，加强前沿实验技术与企业间的合作，对通用的核心实验技术和有应用前景的前沿表征技术进行推广。

四、多自由度耦合量子物态体系

结合国家需求和领域发展前景，立足固体中电子与相关物理自由度间的关联，多自由度耦合量子物态体系应为优先布局发展的方向，其关键科学问题如下。

自旋电子学：基础探索方面，对自旋转移力矩、自旋轨道力矩、自旋霍尔效应、自旋泽贝克效应、拓扑非平庸磁斯格明子等效应研究的不断深化，促进了磁性金属、铁磁半导体、铁磁半金属、磁性拓扑材料、自旋波材料和反铁磁半导体等新材料的研发，为研制新的自旋相关器件打下坚实基础。新一代器件，包括与半导体微电子工艺兼容的超高密度、大容量、非易失磁存储和逻辑存算一体化器件，可能是“后摩尔时代”信息产业发展的主要方向之一。

能谷电子学：对能谷自由度进行调控，可出现新的物理效应，导致自发谷极化，类似于铁磁性。与此对应的“能谷铁磁性”可实现非易失量子信息存储。揭示光、电、磁等手段调控能谷的原理将为光电应用带来更多功能，包括非易失信息存储、突破冯·诺依曼架构的存算一体化，着重研发低对称二维体系、摩尔异质结超晶格以及拓扑非平庸低维体系，促进以新一代经典比特和量子比特为核心的新型光电信息器件研发。

热电材料：热电转换以热能发电和电能制冷功能为核心。因为无机械运动、无污染和易于集成化，热电器件有若干难以替代的应用，绿色能源产业对热电器件迫切需求。热电转换涉及的物理问题是弱化固体电子自由度与晶格自由度的耦合，实现电荷输运与热输运解耦。发展新概念、新方法协同调控电子声子输运，实现ZT值提高，可显著拓展热电研究领域和范畴。研究工作应聚焦于成分组成丰度高的元素以取代贵金属，着重研发热管理和能量转换一体化的新概念器件，关注智能可穿戴的柔性热电材料与器件。

新型铁电多铁材料：20世纪90年代铁电量子理论的诞生诠释了铁电态作为一个量子物态的地位，改变了铁电材料研究的态势，也触发了多铁性这一新领域。铁电半导体、铁电金属和二维铁电材料等新概念的诞生更是将铁电和多铁材料纳入多自由度耦合量子物态麾下，赋予其新的生命力和应用前景。基础研究方面，将关注量子理论的发展和多功能设计，强化构建有机铁电理论。新材料方面，重视低维铁电、铁电半导体、高性能多铁材料、高稳定性有机铁电和磁电拓扑材料等新方向。应用方面，将推动智能材料与器件、电控磁性存储和新型铁电量子器件的研发。

电子相分离及演生功能：多自由度耦合的量子物态，常伴随热力学相空间的多个能量极小，空间的电子相分离难以避免。研究电子相分离的基本规律和演生效应不仅具有重要的基础科学价值，而且将指导开发更多的新型功能器件。基础研究方面，关注多场调控电子相分离的结构与动力学，特别是超快超微尺度下的相分离形成与演化。物理效应和应用探索上，有效利用电子相分离构建高性能微纳荷电子学和自旋电子学器件，并探索电子相分离在神经网络和量子信息等新兴领域中的作用。

忆阻材料：源于多重量子物态共存与竞争的本质，忆阻效应在一大类量子材料中普遍存在。有潜力的忆阻材料包括可控氧化–还原材料、相变材料、铁电多铁材料、电化学材料等，将促进存算一体神经形态、模拟、数字逻辑、随机计算等超越传统冯·诺依曼架构的研究探索，特别是在非易失性存储、高速高效计算、智能传感和人工智能芯片等未来高科技领域发挥着重要作用。

基于神经网络功能实现的新体系：为克服当前存算分离计算框架的困难，发展基于类脑计算概念的存算一体化和深度学习功能的神经网络体系被寄予很高期望。未来的神经网络体系将依赖于高性能量子材料及仿生功能和高度集成架构的研发，最终走向脑机结合的新型神经网络功能器件的研发。

全量子化凝聚态体系：目前固体量子物态研究主要关注原子核外电子态，通常将原子核作为经典粒子处理。这个近似的主要出发点是考虑原子核的质量远大于电子的质量。这对于轻元素组成的凝聚态体系是存在问题的。超越电子态绝热的玻恩–奥本海默近似，将电子和原子核同时量子化的相关研究即全量子化凝聚态物理学，正在成为凝聚态物理研究的前沿和生长点。目前，将主要关注富氢和轻元素体系的全量子化效应，在实验上着重推进超快光谱学与新型探针技术结合，在理论上发展基于精确电子结构的核量子效应模拟方法和非绝热动力学方法。

五、极端条件下的新奇量子物态

极端实验条件，是已知与未知之间的边界，极端条件下对量子物态研究的深度，取决于实验对新参数空间和新实验方法的开拓能力。极端条件的实现常常意味着对现有极限的突破，因此这类研究通常难度大、周期长、注重经验传承、注重知识积累。极端条件下新奇量子物态研究应注重以下几个方向。

高压下的量子物态：高压可以有效缩短原子间距，增加电子轨道重叠，改变自旋间的交换作用，影响化学键和电荷分布，从而有效调控量子自由度之间的耦合与相互作用。由于原位高压下的物性调控原则上不引入晶格无序和额外的电荷载流子，而且能够实现准连续的调控，被认为是一种“干净且精细”的调控手段。目前对高压调控机制仍然缺乏系统性和规律性的认识，在未来的高压研究中迫切要求系统化、标准化地建立高压结构和物性数据库，并发展多样化的高压技术和有效的微观性质探测手段。

强磁场下的量子物态：强磁场能有效控制物质的内部能量，在发现和认识新奇量子现象、揭示新规律、探索新材料、催生新技术等方面发挥着重要的作用。国内已经初步建成了稳态和脉冲强磁场实验装置，还需进一步提高磁场强度，提升表征技术测量精度和磁场下多极端条件的集成，瞄准量子物质领域的重大基础问题开展前瞻性研究，集中力量攻关。

极低温下的量子物态：在接近绝对零度的情况下，量子涨落和粒子之间的相互作用成为决定体系各种物理性质的主要因素。极低温度量子物态研究以氦物理和超冷原子系统为主。超冷原子系统的主要目的是帮助解决经典计算无法处理的强关联量子多体问题。其基本思路是制备强关联人工量子物态，开发一系列的局域和全局量子测控手段，获得强关联量子物态的量子相变行为、关联特性、动力学过程、拓扑结构、规范对称性等物理属性。

光诱导的量子物态及超快现象：基于超短脉冲激光发展起来的超快时间分辨实验技术已发展成探测和调控量子物态的重要手段之一，弱场激发下可利用超快谱学技术探测材料在激发后由非平衡态到平衡态的动力学弛豫过程，而强场激光脉冲激发则可能驱动量子材料发生超快时间尺度的相变，实现对量子物态的超快调控。激光诱导的新奇量子现象和量子物态的超快操纵目前还处于大发展阶段，在这方面尖端仪器的创新和应用扮演着重要角色。

六、量子物质的探索与合成

新型量子材料的探索与合成往往是量子物质领域研究的突破口，并对相关科学技术起到决定性作用。如何在无机化合物晶体结构数据库的250000个条目中寻找有科学价值的量子材料，如何确定哪些元素可以组成尚未被发现的量子材料，是量子物质领域的基本问题。随着对物质材料或者某种物理现象研究的不断深入，人们探索出寻找新的量子物质的四种思路，即单一目标指向、物理模型驱动和探索全新材料以及材料基因工程，最终实现材料设计和材料合成的有机结合。

薄膜材料具有低维度和异质界面等特点，可以针对量子约束、量子相干、量子涨落、拓扑电子态、电子–电子相互作用、自旋轨道耦合以及对称性破缺等物理问题进行人工结构设计和多场调控。新颖异质界面的构筑与奇异效应研究、基于电子能带的多物态调控研究、原位薄膜生长与物性表征的关键技术研究、微纳尺度的低功耗优性能器件研究等已逐渐成长为未来十年里需要重点发展的课题，同时与量子材料薄膜的生长、测量和器件等密切相关的基础科学与技术问题也亟待深入而系统的研究。

材料基因组是材料研发的最新理念，其通过高通量计算缩小尝试范围，利用并行和组合思想的方法加速实验流程，借助机器学习寻找海量数据库中潜藏的规律，并回过头来修正理论模型，指导材料设计。量子材料的高通量制备需要关注非均匀条件下的晶体生长动力学、空间分辨的材料成相控制技术等，同时发展匹配的跨尺度多参量表征技术，快速建立量子材料实验数据库；构建完备的、具有自主知识产权的高通量计算工作流系统，使材料计算过程标准化、自动化；计算模拟材料多方面的物性，全面覆盖材料相空间，与高通量实验数据产生关联并融合人工智能进行材料物性预测。

人工带隙材料是将各类功能基元材料视为人造原子，再以一定的周期结构人工排布而成的材料体系。光波、声波和其他准粒子在其中的传播像晶体中的电子一样形成相应的能带结构，从而实现材料体系的按需设计、结构可调、性能可控。未来发展需要注重人工带隙结构物态调控机制的挖掘，进一步拓宽在人工“原子”的设计和基础材料方面的使用，从跨尺度、多维度、多界面的视角理解其演生物理现象及综合性能；注重开发以需求为导向的优化算法，发展较为普适的结构逆向设计原理；进一步提高加工和表征能力的技术手段创新；随着调控物理机制的不断揭示与完善，研究的重心需要从揭示物理效应逐渐到追求器件性能再到开发应用场景的过渡。