瞬间弹定仪

p style=" text-indent: 2em " 《星际迷航》式的“瞬间传输”虽然只停留在科幻作品中，但量子信息学家们对于“瞬间传输”一个粒子的量子态已经有了经验。 /p p style=" text-indent: 2em " 这种被称作“量子隐形传态”（quantum teleportation）的技术，本质上是不改变一个粒子（如一个光子）位置的情况下，把其上的特定信息在遥远的另一个粒子上重建起来，中间无需具体的传送物质，就像是魔术里面的“大变活人”。 /p p style=" text-indent: 2em " 只不过，过去科学家们只做到了二维量子态的隐形传态，近日，中国科学技术大学郭光灿院士团队李传锋、柳必恒研究组报告了最新进展：利用6光子系统，他们对单光子的三维量子态实时了高效的隐形传送。 /p p style=" text-indent: 2em " 郭光灿团队认为，高维量子隐形传态相比起二维系统具有信道容量更高、安全性更高等优点。相关技术可用于其他高维量子信息研究，为构建高效的高维量子网络打下坚实基础。 /p p style=" text-indent: 2em " 量子隐形传态 /p p style=" text-indent: 2em " 量子隐形传态需要基于一种量子世界里的奇妙现象实现，那就是“量子纠缠”。 /p p style=" text-indent: 2em " 处于纠缠态的两个微观粒子不论相距多远都存在一种关联，其中一个粒子状态发生改变（比如人们对其进行观测），另一个的状态会瞬时发生相应改变，仿佛“心灵感应”。比方说，如果一个光子的偏振态是“向上”的，那么另一个光子的偏振态必然是“向下”的。 /p p style=" text-indent: 2em " 制备出这样一对纠缠起来的光子，科学家们就可以进一步开展“大变光子”的演示。 /p p style=" text-indent: 2em " 我们假设小红想把手上1号光子的量子态传给小明。那么，科学家就制备出一对纠缠起来的2号光子和3号光子，通过光纤传输、或是通过卫星分别发给小红和小明。接着，小红对1号光子和2号光子进行一种特定的操作，称为“贝尔态测量”（BSM）。根据量子的一些基本特性，1号光子和2号光子经过测量之后，他们的量子态会改变，与2号光子处于纠缠态的3号光子也会发生相应变化。在得到某一个测量结果时，小明手上的3号光子恰好会变到1号光子最初的状态，隐形传态就此完成。 /p p style=" text-indent: 2em " 1993年，IBM的查尔斯· 本内特（Charles H. Bennett）和其他5位科学家一起提出了这个奇妙的构想，后来在1997年由奥地利因斯布鲁克大学的蔡林格（Anton Zeilinger）团队首次实现了单光子自旋态的传输。 /p p style=" text-indent: 2em " 2017年，“墨子号”量子通信实验卫星宣布实现了卫星和地面站之前遥远的星地量子隐形传态。 /p p style=" text-indent: 2em " 从二维到多维 /p p style=" text-indent: 2em " 不过，此前实验通常传输的是光子的偏振态这个量。偏振态是一个二维态，可以在二维空间中由两个本征矢量描述。 /p p style=" text-indent: 2em " 但郭光灿团队认为，光子自然存在其他一些多维态，例如轨道角动量、时间模式、频率模式和空间模式等，多维系统在量子世界里更为普遍。因此，要完全远程重建单光子的量子态，需要进行多维态的隐形传送。 /p p style=" text-indent: 2em " 论文指出，传送高维量子态主要存在两大挑战。一是要产生高质量的高维纠缠态，这是量子隐形传态的基础。 /p p style=" text-indent: 2em " 为此，李传锋、柳必恒等人从2016年开始就采用光子的路径自由度编码，解决路径比特相干性问题，制备出高保真度的三维纠缠态。他们也解决路径维度扩展问题，实现了32维量子纠缠态，此外，他们实现了高维量子纠缠态在11公里光纤中的有效传输。 /p p style=" text-indent: 2em " 二就是要对光子实施高维贝尔态测量。理论研究表明，在线性光学体系中，必须采用辅助粒子才能实现高维量子隐形传态。 /p p style=" text-indent: 2em " 在量子隐形传态原本的模型里只有三个光子，郭光灿团队发现，利用? log2(d )? -1个辅助纠缠光子对，就可高效实现d维量子隐形传态。也就是说，传输3维量子态，需要1对辅助纠缠光子。 /p p style=" text-indent: 2em " 在这里，小红想要把1号光子的三个空间模式量子态传给小明，除了双方各自得到纠缠起来的2号光子和3号光子以外，小红还要在辅助纠缠光子对4号和5号的帮助下进行高维贝尔态测量，把测量结果通过传统信道（比如打电话）告知小明。最后，小明要根据小红的测量结果对手上的3号光子执行适当的操作，就能把它转变为1号光子的初始状态。 /p p style=" text-indent: 2em " 实验结果表明，量子隐形传态保真度达59.6%，以7个标准差超过了经典极限值1/3，证实了三维量子隐形传态过程的量子特性。 /p p br/ /p

10月3日，2023年诺贝尔物理学奖授予皮埃尔阿戈斯蒂尼、费伦茨克劳斯和安妮吕利耶三位科学家，以表彰他们在阿秒光脉冲方面作出的贡献。1阿秒到底有多短呢？举一个例子，我们都知道光速是最快的速度，然而一束光从房间的一端发射到对面的墙壁，时间却“达到”了惊人的100亿阿秒。1阿秒等于10的负18次方秒，是人类目前所掌握的最快的时间尺度。它就像一把尺子，尺子刻度越细，测量的精度就越精细。更重要的是，这为超快光谱探测技术提供了新的时间分辨率——依靠更快的速度，人类可以观测定格到更加清晰细小的微观世界。什么是超快光谱探测技术？超快光谱探测技术是怎么定格到微小世界的？未来又有哪些应用前景？今天，让我们共同关注。超快光谱探测技术应用原理示意图从“骏马在奔驰中是否四脚离地”说起关于人类第一次利用光学成像技术解决问题，要从“骏马在奔驰中是否四脚离地”说起。人们喜欢看骏马疾驰时的样子，然而，由于骏马奔跑时的速度实在太快，人类用肉眼很难捕捉到清晰的画面。关于马在奔跑过程中，是否会有四条腿同时离开地面的争论也一直都存在。直至1878年6月11日，英国摄影师艾德沃德迈布里奇开创了一种全新的拍摄方式。他在骏马的奔跑轨迹上连续设置了12组相连的相机装置，同时将地雷触发线连到相机快门上。当马蹄触及地面上的触发线时，相机快门就会被连续触发，从而获得一系列连续的照片。这种方法将马蹄的运动在多张照片中分解展现出来。最后，照片呈现的结果显示，马在奔跑时确实会四脚离地。这个创举改变了人类观察世界的方式，也引领了科学界对时间分辨能力的追问：如果未来拍摄比马移动更快的物体要怎么办？人类一直在追求捕捉物体运动更快的画面。后来，随着对自然界瞬态过程的不断探索，人类陆续达到毫秒量级、微秒量级、纳秒量级、皮秒量级和飞秒量级的时间分辨率。1999年，诺贝尔化学奖颁发给了致力于时间分辨率上的超快光谱探测技术的科学家。超快光谱探测技术将人类自然科学的研究带入了一个更快的世界。时至今日，超快光谱探测技术已经成为研究物质微观粒子动力学最重要的技术。所谓超快光谱探测技术，是指利用脉冲激光器对样品进行激光刺激，并用激光对刺激后的样品进行探测，以研究样品在极短时间内的光物理、光化学和光生物反应的一种方法。通俗地来比喻，超快光谱探测技术类似超快摄像机一样，让人们能够通过一帧一帧的“慢动作”观察处于化学反应过程中原子与分子的转变状态。目前，超快光谱探测技术主要依赖于飞秒激光，其优点在于能够瞬间获得样品状态，具有快速、高灵敏度、高分辨率的特点。通常情况下，激光的波长为可见光范围内的波长，使用时需要特别注意光能量对样品的影响。现如今，正在积极发展的新一代基于泵浦-探测技术的超快光谱探测技术，具备前所未有的时间分辨率，可以将超快成像的观测范围压缩到飞秒甚至阿秒的尺度。这意味着能在短短一秒钟内拍摄远超亿计的照片。在这极短的时间尺度下，即使光的速度也几乎“凝固”不动，仅能传播不到百万分之一米的距离。在这个基础上，一些瞬时的现象，往常难以被常规技术手段观测到的奥秘，如化学键的形成、量子隧穿、强关联物理等，将在这些高时间分辨率的成像中得以清晰呈现。超快光谱探测技术的出现，将极大地拓展我们对事物运行机制的认知。通过这种技术，我们有望揭示出许多过去被掩盖的现象和过程，这可能会催生出更多新的科学发现，甚至可能开创出全新的领域，为人类社会带来更多的创新和进步。揭示微观世界的奥秘一只小小的蜂鸟每秒可以拍打翅膀80次，然而对于人类来说，只能感觉到嗡嗡的声音和模糊的翅膀动作……对于人类的感官来说，快速的运动会变得模糊。任何测量都必须比目标系统发生明显变化的时间更快，才能得到测量的结果。借助超快光谱探测技术成像，我们得以捕捉到那些转瞬即逝的现象的具体形貌。在拍摄电影和广告中，很多特殊镜头的拍摄都会用到超快光谱高速摄影机，它能用特殊的视角展现出极为丰富的镜头效果，给大家带来更为丰富的视觉冲击。在拍摄荷叶时，我们可以捕捉到荷叶表面的细微纹理，进而分析荷叶超疏水现象背后的奥秘。可以说，超快光谱探测技术涉及人类生活的方方面面，已经被广泛应用于航天、工业和生物医学等诸多领域。在航天领域，超快光谱高速相机可以精确地捕捉航天器点火升空瞬间的所有细节，有助于查找和分析航天器设计中的潜在问题和疏漏。在工业领域，采用超快光谱高速相机观察产品受到冲击时内部的状态，可用来分析产品被破坏时物质的结构。在军事领域中，采用超快光谱高速相机来捕获炸药爆炸、子弹出膛、火箭发射等过程，以及应用于弹道分析、撞击分析、武器机械运动分析等。与此同时，随着物质微观体系的不断发展，人们对微观物质特征和物质本质认识的要求也越来越高。在人类探索和控制物质相关变化的瞬态过程中，超快光谱探测技术为人们探索发现新现象、新物质和阐述相关物理机制提供了重要参考。例如，在分子生物学研究中，可以利用超快光谱探测技术研究DNA、RNA等生物大分子在光激发后的反应过程和动力学过程，用来揭示这些生物大分子的结构和生理机能，对生物医学领域的基因工程等研究具有重要意义。而最新的研究表明，超快光谱探测技术正被看作是量子力学诞生以来，能够在相应时间尺度内探索微观量子性质的“武器”，在研究超导材料的机理及实验依据、非平衡物理及新奇量子态的诱导、量子态的外场调控等方面同样具有重要作用，被科学家们称为与“量子”的经典组合。此外，也有不少新材料在超快光谱探测技术的促进下产生。例如，在钙钛矿太阳能电池等光伏器件中，利用光伏效应收集光能并将其转化为可供日常生活使用的电能。借助超快光谱探测技术记录的光电特性演化过程，可为太阳能电池及光伏器件的设计制备提供指导，大幅改善光电转换效率、提高材料使用寿命。近年来，据《自然》杂志等期刊报道，钙钛矿太阳能电池的效率已超过26%，有望成为继多晶硅之后的新一代太阳能电池核心能源材料。半导体磁性材料、超导体、绝缘体、复杂材料、太阳能电池……人类的好奇心永无止境，相信随着超快光谱探测技术的时间分辨率越来越高，未来将会有越来越多关于微观世界的奥秘被一一发现。向着更快更清晰的未来前进对于超快光谱探测技术当前的研究进展，科研人员表示，该技术会更加注重快速、高效和精准：一方面，时间更快，即在超快的基础上提出更小的时间尺度，以便了解更多分子、原子里的电子的动力学过程；另一方面，空间分辨率更高，以便可以看到事物更小、更加清楚的动态过程。除此之外，也有国内外的科研人员在尝试把超快光谱拓展到不同的波长。例如从X光到太赫兹波甚至微波，以持续推动超快光谱前沿技术的应用拓展。而随着人工智能技术的不断完善，未来人工智能或将与超快光谱探测技术相结合。通过机器学习等方法，科研人员可以更加准确地分析和理解超快光谱数据，从而更好地探索材料和分子之间的微小变化，进一步挖掘出有价值的信息。“虽然超快光谱探测技术当前在科学研究中得到大家的青睐，但未来在其成为一种通用技术的道路上还有许多局限性。”也有不少科研人员指出了超快光谱探测技术现今存在的制约因素，如：采集数据的时间较长，需要专业人员分析数据，激光探测设备成本较高，等等。当前，皮秒甚至飞秒激光探测器费用可高达百万元以上，加上搭建激光探测器、光路和探测仪器等费用，一套仪器设备的投入耗资巨大，这些问题在一定程度上限制了当前超快光谱探测技术更大规模地应用于市场。综上所述，即使有发展局限，但不可否认，超快光谱探测技术已经成为分析化学、生物医学、材料科学等领域中的重要研究手段之一。随着对超快光谱探测技术认识的深入，其应用领域将会进一步扩大和深化。从拍摄骏马奔跑时四腿离地、定格昆虫扇动翅膀的瞬间，到看清子弹出膛的慢动作，再到观测电路中的电流变化，随着超快光谱探测技术的发展，人类定格世界的快门越来越快，看到了越来越清楚的微观世界。我们期待，借助该技术，人类未来能看到并揭示大千世界中更多令人心生好奇、心生向往的美妙瞬间！

【视频】中国分析仪器学术年会（ACAIC）精彩瞬间“中国分析仪器学术年会”（ACAIC）已成功举办七届！第八届中国分析仪器学术年会（ACAIC 2021）将于12月15-17日在江苏南京举办，敬请期待！行业盛会，不容错过！往届回顾，精彩瞬间，期待有你！当下可为，未来可期，邀你共赴！