纠缠光子干涉度量教学系统

加拿大物理学家们首次利用量子力学克服了测量科学中的一个重大挑战。新开发的多探测器方法可测量出纠缠态的光子，实验装置使用光纤带收集光子并将其发送到由11个探测器组成的阵列。此项研究为使用量子纠缠态开发下一代超精密测量技术铺平了道路。 　　研究报告主要作者之一、多伦多大学物理系量子光学研究小组博士生罗泽马· 李称，新技术能利用光子以经典物理学无法达到的精度进行测量。此项研究成果在线发表在《物理评论快报》上。 　　现存最灵敏的测量技术，从超精确原子钟到世界上最大的望远镜，均依赖于检测波之间的干涉，这种干涉发生于两个或更多个光束在相同空间的碰撞。罗泽马及其同事使用的量子纠缠态包含N个光子，它们在干涉仪中均被保证采取同样的路径，即N个光子要么全部采取左手路径，要么全部采用右手路径。 　　干涉效应可用干涉仪进行测量。干涉装置的测量精度可通过发送更多的光子加以改善。当使用经典光束时，光子数目(光的强度)增加100倍，干涉仪的测量精度可提高10倍，但是，如果将光子预先设置在一个量子纠缠态，干涉仪在同等条件下的测量精度则同步增长100倍。 　　科学界虽已了解到测量精度可通过使用纠缠光子加以改善，但随着纠缠光子数的上升，所有的光子同时到达相同检测器的可能性微乎其微，因此该技术在实践中几无用处。罗泽马及其同事于是开发出一种使用多个探测器来测量纠缠态光子的新方法。他们设计了一种使用&ldquo 光纤带&rdquo 的实验装置，用以收集光子并将其发送到11个单光子探测器组成的阵列。 　　这使研究人员能够捕捉到几乎所有最初发送的多光子。罗泽马称，同时将单光子以及两个、三个和四个纠缠光子送入检测设备，测量精度可得到显著提高。 　　研究人员表示，两个光子好于一个光子，探测器阵列的效果则远远好于两个。随着技术的进步，采用高效探测器阵列和按需纠缠的光子源，此项技术可被用于以更高精度测量更多的光子。《物理评论快报》的评论指出，该项技术为提高成像和光刻系统的精度提供了一种行之有效的新途径。

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【科学背景】随着信息技术的飞速发展，人类对于更安全、更高效的通信方式的需求日益增长。其中，量子信息科学的崛起引起了广泛关注。量子信息科学利用量子力学中的特性，如纠缠和叠加，来实现更安全和更快速的信息处理和通信方式。量子互联网作为量子信息科学的一个重要分支，旨在构建一个基于量子力学原理的全新互联网架构，以实现更加安全、更加高效的通信。在传统互联网中，信息是通过经典比特（0和1）进行传输和存储的。然而，在量子互联网中，信息以量子比特（qubit）的形式传输，这些量子比特可以同时处于0和1的叠加态，并且可以通过纠缠相互关联。这种非经典特性使得量子互联网具有独特的优势，如量子密钥分发、分布式量子计算和增强的传感等。然而，要实现量子互联网还存在一些挑战。其中之一是如何在大规模、多节点的情况下建立稳定的量子纠缠。以往的研究多集中在实验室规模的两节点系统上，缺乏对于多节点系统的研究和验证。另一个挑战是光子在光纤传输中的损耗问题，特别是在长距离传输时，光子的损失会大大降低量子通信的效率和可靠性。为了解决这些问题，中国科学技术大学的包小辉&潘建伟院士团队提出了一种基于原子集合的量子存储器和光子服务器的量子网络架构，并利用量子频率转换技术来减少光子在光纤中的传输损耗。通过这些创新，他们成功地建立了一个大都市规模的多节点量子网络，实现了远距离量子纠缠的生成和存储，并且能够同时在多条链路上执行纠缠生成。【科学图文】为了实现未来的量子互联网，研究人员进行了一项关于建立大都市区域的多节点量子网络的研究。他们在图1中展示了该网络的布局和实验设置。图a展示了一个广阔复杂的量子网络的设想架构，包括了许多高连接性的大都市区域网络，这些网络通过量子中继器通道相互连接。该网络由三个量子节点（Alice、Bob和Charlie）和一个服务器节点组成，形成了星形拓扑结构。这些节点被放置在合肥市内，形成一个三角形，节点之间的距离为7.9公里到12.5公里。在实验中，每个量子节点都配备了一个原子集合量子存储器，用于生成原子-光子纠缠。图b展示了量子节点的方案，包括了量子存储器、光子服务器以及用于纠缠生成的装置。图c展示了服务器节点的方案，其中包括了光子干涉仪和超导纳米线单光子探测器等组件。图d展示了该研究中使用的多节点量子网络的布局，以及各节点之间的光纤连接。通过这些布局和实验设置，研究人员成功地实现了远距离量子节点之间的纠缠生成，并且纠缠存储时间超过了往返通信时间。此外，他们还展示了对所有三条网络链路的远程纠缠生成，并同时执行了这些操作。这项研究为评估和探索多节点量子网络协议提供了大都市规模的试验平台，标志着量子互联网研究的重要进展。图1：网络布局和实验设置。研究人员为了解决量子网络中的相位稳定性和频率漂移问题，开发了一种基于弱场远程相位稳定方法的网络架构，并通过实验验证了其有效性。图2展示了该相位稳定化方法的方案和实验结果。在图2a中，研究人员利用弱场相位探测脉冲和光子计数在纠缠生成设施中检测相位差Δφ，并通过反馈立即进行补偿。实验结果显示，经过相位稳定化处理后，两节点之间的相位分布得到了显著改善，可观察到正弦振荡的干涉可见度。图2b展示了相位稳定化的特征，通过发送额外的相位探测脉冲和光子计数，成功实现了相位分布的高斯化。此外，图2c显示了在不同频率差条件下的干涉可见度，证明了频率漂移的补偿效果。这些研究结果对于量子网络的发展具有重要意义。相位稳定化方法和频率漂移的补偿可以确保在量子节点之间建立稳定的纠缠链接，为量子通信和量子计算等应用提供了可靠的基础。图2. 弱场相位和频率稳定。接下来，研究人员在图3中验证了通过弱场方法在远距离节点之间生成的纠缠。在图3a中，他们展示了用于验证远程纠缠的实验设置。通过与额外的弱纠缠探测脉冲的结合，他们成功地检测到了远程纠缠的存在。在图3c和d中，他们展示了读出场和原子态之间的密度矩阵，证明了远程纠缠的存在，并通过保真度的计算确定了其有效性。值得注意的是，他们在两个实验中均取得了成功，一次是在5微秒的存储时间内，另一次是在107微秒的存储时间内。这表明，他们的方法不仅能够实现远程纠缠的生成，还能够在较长时间内保持纠缠的稳定性。图3. 一对遥远节点之间的纠缠。研究者在图4中展示了网络中的并发纠缠生成。他们的目标是同时在网络的不同节点之间建立纠缠，从而实现量子通信的潜力。在图中，研究者通过量子随机数生成器动态切换用户对，并使用多输入-双输出光开关来实现并发纠缠。实验结果显示，当改变Charlie节点的相位时，Alice-Bob、Alice-Charlie和Bob-Charlie三个链路上的纠缠度表现出了明显的正弦振荡，这表明了成功的纠缠生成。在另一方面，当测量PM态时，结果显示了与理论相关的高度相关性。这项工作的重要性在于，它为量子通信和量子网络的发展提供了实验上的验证，为未来的量子通信系统的设计和实施提供了关键见解。图4. 网络中并发纠缠的产生。【科学结论】本文展示了一种可行的都市区域纠缠量子网络的实现，并解决了该网络面临的技术挑战。通过成功实现远程纠缠的生成和存储，以及在网络内同时生成多个纠缠对，作者为量子通信和量子信息处理领域提供了重要的突破。其中，采用的单光子方案为网络的高纠缠速率提供了基础，远程相位稳定化和弱场方法则解决了单光子方案中的关键技术问题。这些方法不仅在实验中取得了成功，而且为未来构建更大规模、更复杂拓扑结构的量子网络提供了可靠的技术支持。此外，文章还指出了进一步提高网络性能的路径，如将波长转移到通信C波段、利用Rydberg阻塞机制抑制不需要的高阶原子激发、实现更好的纠缠验证以及延长纠缠存储时间等。这些科学启迪为未来量子网络的发展指明了方向，有望促进量子信息技术的应用和进步，推动量子通信的实用化和商业化进程。原文详情：Liu, JL., Luo, XY., Yu, Y. et al. Creation of memory–memory entanglement in a metropolitan quantum network. Nature 629, 579–585 (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-07308-0

近日，中国科学技术大学物理学院郭光灿院士团队在中红外波段量子纠缠的制备与表征研究中取得重要研究进展。该团队史保森教授、周志远副教授及其合作者首次制备了3微米中红外波段时间-能量纠缠光子对并演示了双光子Hong-Ou-Mandel干涉。该成果以“Quantumentanglementandinterferenceat3μm”为题于3月6日在线发表在国际知名学术期刊《Science Advances》上。光量子信息技术的发展离不开量子光场的产生、调控与探测。尽管近红外波段（0.7um∽2.5um）相关技术的发展已相对成熟，但鲜有其它波段非经典光子对/单光子制备、调控和探测的工作报道。近年来，科研工作者开始逐步探索量子信息在中红外光谱领域应用的理论和实验研究，发现中红外非经典光子源与传统通信、成像和传感技术相结合，可以产生新的通信技术和探测、感知手段，这是因为：1.中红外波段覆盖了几乎所有物质分子的振动光谱，具有分子的“指纹”特征，可用于物质成分鉴定和分析；2.中红外波段包涵多个重要的大气通信传输窗口，适合远距离自由空间光通信和遥感探测；3.温度为115K∽1150K的黑体辐射中心波长在中红外波段，这为物体探测提供了一种有效的热成像手段。该研究工作是中红外光子纠缠制备的第一个工作，对该领域的发展具有重要影响。通过选择合适的非线性晶体及其参数，结合非线性上转换探测技术，原则上可以制备和表征任意波长的中红外纠缠光子对。由于中红外光谱具有分子的“指纹”特征、包含大气层的低损传输窗口以及与物体的热辐射光谱重叠，因此可以预期中红外非经典光子源与传统通信、成像和传感技术的结合一定会为人们认知世界提供新技术和新方法，为量子信息技术的发展带来新机遇。该研究得到了科技部、国家自然科学基金委、安徽省和电磁空间安全国家重点实验室开放基金的资助。

一、项目基本情况项目编号：2005012202项目名称：同济大学物理实验公共平台-量子纠缠实验系统+光学平台采购项目预算金额：250.8000000 万元（人民币）最高限价（如有）：250.8000000 万元（人民币）采购需求：包件名称：量子纠缠实验系统+光学平台包件预算：人民币250.8万元数量：壹批用途：科研教学主要规格参数：同济大学物理实验公共平台-量子纠缠实验系统+光学平台包括以下教学设备：量子纠缠实验系统4套；光学平台36台。用于同济大学物理实验公共平台中创新型、专业型、开放型实验教学，利用以上设备可进行量子纠缠实验，光学平台可进行应用光学系列、氦氖激光器系列、光纤系列实验和全息等实验项目仪器的放置和实验操作。光学平台的设计制造应符合中华人民共和国国家计量、安全、环保等标准及ISO国际标准。光学平台需配备先进合理的振动抑制措施，具有隔振效果好、平面精度高、可靠性强、重复性好等各种功效。隔振台及相应附属设备安装调试后即可投入使用。以上设备能满足物理实验公共平台开放和创新实验教学要求。详见本项目采购文件“第三章 技术规格”。合同履行期限：合同签订之日起 6 个月内完成并验收合格交付使用。本项目( 不接受 )联合体投标。二、申请人的资格要求：1.满足《中华人民共和国政府采购法》第二十二条规定；2.落实政府采购政策需满足的资格要求：本次招标执行政府强制或优先采购节能和环境标志产品、促进中小微企业、促进残疾人就业、支持监狱和戒毒企业、扶持不发达地区和少数民族地区、支持科学进步以及限制采购进口产品等相关政策。如投标产品的制造商为符合《政府采购促进中小企业发展管理办法》（财库〔2020〕46号）第二条要求的中小微企业（本招标文件中所称的中小微企业的含义均与此相同），则投标人须在投标文件中提供格式符合财库〔2020〕46号附1要求的《中小企业声明函（货物）》（正本）；如投标人为残疾人福利性单位，则须在投标文件中提供格式符合《关于促进残疾人就业政府采购政策的通知》（财库〔2017〕141号）要求的《残疾人福利性单位声明函》（正本），一旦中标将在中标公告中公告其声明函，接受社会监督；若提供声明函与事实不符的，将依照《中华人民共和国政府采购法》第七十七条第一款的规定追究法律责任。3.本项目的特定资格要求：（1） 符合《中华人民共和国政府采购法》第二十二条第一款的规定，即应符合下列条件：（a） 具有独立承担民事责任的能力；（b） 具有良好的商业信誉和健全的财务会计制度；（c） 具有履行合同所必需的设备和专业技术能力；（d） 有依法缴纳税收和社会保障资金的良好记录；（e） 参加政府采购活动前三年内（从2020年2月28日至今），在经营活动中没有重大违法记录。为此，投标人应在投标文件中提供下列证明材料和书面声明：（a） 法人或者其他组织的营业执照等证明文件，自然人的身份证明；（b） 财务状况报告，由税务机关出具的依法缴纳税收的凭证（或依法享受免税的证明）以及依法缴纳社会保障资金的相关证明材料（提供由当地社保中心或类似机构出具的交纳社保资金证明材料）；（c） 具备履行合同所必需的设备和专业技术能力的证明材料；（d） 参加政府采购活动前三年内在经营活动中没有重大违法记录的书面声明。（2） 近三年（从2020年2月28日至今）未被国家财政部指定的“信用中国”网站（www.creditchina.gov.cn）、中国政府采购网（www.ccgp.gov.cn）等官方渠道列入失信被执行人、重大税收违法案件当事人名单或政府采购严重违法失信名单。（3） 法人的分支机构以自己的名义参与投标时，应提供依法登记的相关证明材料和由法人出具的对该投标活动承担全部直接责任的承诺；（4） 本项目不采购进口产品【根据财政部《政府采购进口产品管理办法》（财库[2007]119号）规定：进口产品是指通过中国海关报关验放进入中国境内且产自关境外的产品】。（5） 本项目为非专门面向中小企业采购的项目；（6） 本项目不接受联合体投标。三、获取招标文件时间：2023年02月28日 至 2023年03月07日，每天上午8:00至12:00，下午12:00至16:00。（北京时间，法定节假日除外）地点：上海国际招标有限公司网站(https://www.shabidding.com)方式：网上领购售价：￥500.0 元，本公告包含的招标文件售价总和四、提交投标文件截止时间、开标时间和地点提交投标文件截止时间：2023年03月21日 09点00分（北京时间）开标时间：2023年03月21日 09点00分（北京时间）地点：上海市延安西路358号美丽园大厦19楼1900-2会议室五、公告期限自本公告发布之日起5个工作日。六、其他补充事宜1．招标文件从2023年2月28日开始，至2023年3月7日的16:00时（北京时间）在上海国际招标有限公司网站(https://www.shabidding.com) （以下简称官网）免费在线领购招标（或采购）文件。本采购文件每套500元人民币（不分包件），售后不退。（1）潜在投标人（或供应商）首次使用该网站需要完成注册程序，注册时需要提供《供应商注册专用授权函和承诺书》（可从供应商注册页面下载）盖章扫描件，潜在投标人（或供应商）应当提前准备，尽早办理，以免影响领购招标（或采购）文件。（2）已注册的潜在投标人（或供应商）可从网站采购公告栏的相应公告中进在线领购招标（或采购）文件流程。若公告要求提供法定代表人授权书等领购资料的（资料格式可从公告附件下载），潜在投标人（或供应商）应当上传相关资料的原件扫描件，否则采购代理机构有权拒绝向其出售招采购文件。无需提供领购资料的项目，潜在投标人（或供应商）提交领购申请并支付费用到账后即可下载电子招标（或采购）文件。项目经理会将纸质文件快递给潜在供应商。发票将以电子发票的形式发送到潜在投标人（或供应商）登记的电子邮箱。（3）对于未按上述要求进行注册并领购招标（或采购）文件的潜在投标人（或供应商），代理机构有权拒收其提交的投标（或响应）文件，对已经接收的投标（或响应）文件也将提请评标（或评审）委员会作无效投标（或响应）文件处理。（4）若有任何关于上海国际招标有限公司网站(https://www.shabidding.com)的操作问题，请致电86-21-32173705，咨询相关老师。2．所有投标人应于2023年3月21日9:00时（北京时间）前向上海国际招标有限公司（延安西路358号美丽园大厦14楼）递交一笔金额为不少于所投包件的预算金额的1.5%的投标保证金。3．投标文件应于2023年3月21日9:00时（北京时间）前递交到上海市延安西路358号美丽园大厦19楼1902-2会议室。4． 兹定于2023年3月21日9:00时（北京时间），在上海市延安西路358号美丽园大厦19楼1902-2会议室公开开标。届时请各投标人委派代表出席开标仪式。七、对本次招标提出询问，请按以下方式联系。1.采购人信息名称：同济大学地址：上海市四平路1239号联系方式：张老师021-659860712.采购代理机构信息名称：上海国际招标有限公司地址：上海市延安西路358号美丽园大厦14楼联系方式：徐迪、阮相儒、何沛霖 021-32173620，321736993.项目联系方式项目联系人：徐迪电话：17717905528

中国科学技术大学潘建伟、苑震生等与清华大学马雄峰、复旦大学周游合作，使用光晶格中束缚的超冷原子，通过制备二维原子阵列、产生原子比特纠缠对、连接纠缠对的分步扩展方式制备了多原子纠缠态，并通过显微学技术调控和观测了其纠缠性质，向制备和测控大规模中性原子纠缠态迈出重要一步。这项研究成果近日发表在国际权威学术期刊《物理评论快报》上，美国物理学会“Physics”以《光晶格量子计算机的里程碑》(Milestone for Optical-Lattice Quantum Computer)为题作了报道。量子纠缠是量子计算的核心资源，量子计算的能力将随纠缠比特数目的增长呈指数增长。因而，大规模纠缠态的制备、测量和相干操控是该研究领域的核心问题。在实现量子比特的众多物理体系中，光晶格中的超冷原子比特具备良好的相干性、可扩展性和高精度的量子操控性，成为实现量子信息处理的理想物理体系之一。自2010年开始，中国科大研究团队系统地研究了光晶格中原子的多体相变、原子相互作用、熵分布动力学等，并于2020年实现纠缠保真度为99.3%的1000多对原子纠缠态[Nature Physics 12, 783(2016)；Nature Physics 13, 1195(2017) Science, 369,550(2020)]。这一系列研究工作推动了原子纠缠对保真度的提升和原子并行操控能力的增强，为连接扩展成更大的多原子纠缠态、进而开展量子计算研究打下基础。但是，在之前的工作中，由于技术上对单原子比特操控能力仍然不足、光晶格相位漂移较大、缺乏多原子纠缠判定的有效方法，进一步连接纠缠对和测控多原子纠缠态遇到了瓶颈问题。为了解决上述问题，潘建伟、苑震生团队研发了一种新型的等臂交叉束干涉、自旋依赖超晶格系统，并集成了自主研发的单格点分辨、宽波段消色差的量子气体显微镜和多套用于光斑形状编辑的数字微镜，兼具多原子全局并行和局域单格点测控的能力，且实现了晶格相位长期稳定。在此基础上，该团队取得了填充率为99.2%的原子二维阵列的制备及原位观测，选择其中49对原子制备了纠缠贝尔态,平均保真度为95.6%，寿命为2.2秒；进一步，他们使用纠缠门将相邻纠缠对连接起来，制备了10原子一维纠缠链和8原子二维纠缠块，首次突破了光晶格中原子纠缠对连接和多原子纠缠判定的瓶颈，为开展更大规模的光晶格量子计算和模拟打下基础。 　　中国科学技术大学博士后章维勇、博士生何明根和博士后孙辉为论文的共同第一作者。该研究工作得到国家自然科学基金委、科技部、安徽省等的支持。

丹麦和德国科学家在最新一期《科学》杂志上发表论文指出，他们携手解决了一个困扰量子科学家多年的问题——在两块纳米芯片上，首次同时控制两个量子光源，并让其实现量子力学纠缠。最新进展对量子硬件的突破性应用至关重要，将促进量子技术发展到更高水平，是计算机、加密和互联网加速“量子化”的关键一步，将为量子技术的商业利用打开大门。多年来，研究人员一直致力于开发稳定的量子光源，并实现量子力学纠缠，也就是两个量子光源可远距离地立刻相互影响。纠缠是量子网络的基础，也是开发高效量子计算机的核心。哥本哈根大学尼尔斯玻尔研究所彼得洛达尔教授表示，其团队一直在研究使用光子作为微传送器传输量子信息。一个量子光源发射的100个光子所包含的信息将超过世界上最大的超级计算机所能处理的信息。使用20—30个纠缠的量子光源，科学家们就有可能构建出一台通用的纠错量子计算机。但实现上述目标面临的最大挑战是，从控制一个量子光源到控制两个量子光源。因为光源对外界的“噪音”非常敏感，因此很难复制。历经20年努力，在最新研究中，洛达尔团队成功创造出两个相同的量子光源，并开发出先进的纳米芯片，对每个光源进行精确控制，实现了量子力学纠缠。最新研究主要作者、博士后阿列克谢蒂拉诺夫解释道：“纠缠意味着控制一个光源，就可立即影响另一个光源，使我们可创建出一个量子光源组成网络，其中的所有光源相互作用，能以与普通计算机中的比特相同的方式来执行量子运算，从而获得当今计算机技术无法实现的处理能力。”

中国科学技术大学郭光灿院士团队在多体非线性量子干涉研究中取得重要进展。该团队任希锋研究组与德国马克斯普朗克光科学研究所MarioKrenn教授合作，基于光量子集成芯片，国际首次展示了四光子非线性产生过程的干涉，相关成果于1月13日发表在光学权威学术期刊Optica上。量子干涉是众多量子应用的基础，特别是近年来基于路径不可区分性产生的非线性干涉过程越来越引起人们的关注。尽管双光子非线性干涉过程已经实现了二十多年，并且在许多新兴量子技术中得到了应用，直到2017年人们才在理论上将该现象扩展到多光子过程，但实验上由于需要极高的相位稳定性和路径重合性需求，一直未获得新的进展。光量子集成芯片，以其极高的相位稳定性和可重构性逐渐发展成为展示新型量子应用、开发新型量子器件的理想平台，也为多光子非线性干涉研究提供了实现的可能性。任希锋研究组长期致力于硅基光量子集成芯片开发及相关应用研究并取得系列重要进展：(1)国际上首次基于硅基光子集成芯片实现了四光子源的制备(Light Sci Appl 8, 41, 2019)；(2)首次实现频率兼并四光子纠缠源制备(npj Quantum Inf 5, 90, 2019)；(3)首次实现波导模式编码的量子逻辑门操作(Phys. Rev. Lett. 128, 060501,2022)和超紧凑量子逻辑门操作(Phys. Rev. Lett., 126, 130501,2021)等。在这些工作基础上，研究组同MarioKrenn教授合作，通过进一步将多光子量子光源模块、滤波模块和延时模块等结构进一步片上级联，在国际上首次展示了四光子非线性产生过程的相干相长、相消过程。实验结果如图1(a)所示，四光子干涉可见度为0.78。而双光子符合并未观测到随相位的明显变化，这同理论预期一致。整个实验在一个尺寸仅为3.8×0.8mm2的硅基集成光子芯片上完成，如图1(b)所示。(a)(b) 　　图1. (a)量子干涉测量结果；(b)用于实现四光子非线性量子干涉的集成光量子芯片。该成果成功地将两光子非线性干涉过程扩展到多光子过程，为新型量子态制备、远程量子计量以及新的非局域多光子干涉效应观测等众多新应用奠定了基础。审稿人一致认为这是一个重要的研究工作，并给出了高度评价：“The chip is well-designed and contains various integrated optical components such as entangled photon source, an interferometer, frequency filter/combiner (该芯片设计精良，包含多种集成光学元件，如纠缠光子源、干涉仪、频率滤波器/组合器)”、“This work pushes forward the research field of integrated photonic quantum information science and technology(这项工作推动了集成光子量子信息科学与技术研究领域的发展)”。中科院量子信息重点实验室任希锋教授、德国马克斯普朗克光科学研究所MarioKrenn教授为论文共同通讯作者，中科院量子信息重点实验室特任副研究员冯兰天为论文第一作者。此外，浙江大学戴道锌教授和张明助理研究员为该工作提供了技术支持。该工作得到了科技部、国家基金委、中国科学院、安徽省以及中国科学技术大学的资助。

量子纠缠是量子信息中的核心资源，它已经广泛应用到量子测量、量子通信以及量子计算领域。纠缠态的产生、发展和创新极大地推动了第二次量子革命的发展。随着量子信息技术的发展，多模、大尺度的连续变量量子态成为研究的发展方向，以满足大容量量子通信、分布式及多参数、容错量子计算的需求。为了满足量子计算需求和构建量子网络，需要获得大尺度纠缠态。目前，研究人员基于光场时间、空间或频率结构模式，制备出了可观数目的光场纠缠，并已经实现了单自由度复用的连续变量量子通信，展现了增强信道容量的前景。而进一步扩展纠缠数目，需要对多个自由度的同时调控技术，构建连续变量高维纠缠光场。为解决上述问题，山西大学量子光学与光量子器件国家重点实验室的郜江瑞团队通过色散、像散补偿技术和多模参量控制技术，实现了光学参量振荡器中多自由度光场的共振输出，获得了同时具有频率梳、自旋和轨道角动量纠缠的连续变量高维纠缠。并基于其中产生的高维纠缠态，演示了空间-频率复用的量子密集编码协议。相关研究成果发表于Photonics Research 2022年第12期。如图所示，通过光学参量下转换过程产生的纠缠光子对具有多个物理自由度。关联光子A，B具有对称“能级”，相反的轨道角动量和相互垂直的偏振。在实验中，量子关联的测量通过可独立选择的一对参考光场，在平衡零拍探测系统中提取。图（a）参量下转换过程纠缠光子三自由度示意图；(b)多模光学参量谐振器同时输出多个“能级”的三自由度纠缠；(c) 实验验证装置；(d) 完整的第一“能级”纠缠关系测量（左图）及其在复用量子密集编码的演示（右图）实验结果表明，光学参量谐振器直接输出了携带频率梳，自旋角动量和轨道角动量的三自由度高维纠缠，达到-3.3 dB的纠缠水平。值得一提的是，该谐振器有能力直接输出约2000个“能级”共计8000对的量子纠缠。为探究多自由度高维纠缠资源在量子信息的潜能，团队首次实验演示了空间-频率复用的量子密集编码，图（d）展示了量子通信信道容量的显著增强。刘奎教授表示：“相比于传统的连续变量纠缠产生方案，多自由度、多模光学参量谐振器产生的纠缠光源具有更高可扩展性，更丰富光场结构的特点，不但适合高信道容量量子通信需求，而且可用于实现特别的量子任务，例如量子多参数测量，多自由量子界面和混合型的高维量子离物传态等。”目前对于连续变量高维纠缠的研究还有许多开放性问题值得研究，如是否具有与分离变量高维纠缠类似的纠缠特性，更高的安全性，和更强的抗噪能力等。团队后续将进一步开展更高纠缠水平、更多元的纠缠数量以及多自由度分离及交互的研究，同时开展基于连续变量高维纠缠的应用研究，如高维量子离物传态以及其在量子传感和量子测量领域的应用。

中国科大郭光灿院士团队在量子通信和量子网络的研究中取得重要进展。该团队李传锋、柳必恒研究组与南京邮电大学盛宇波等人合作，利用高品质的超纠缠源，首次实现了11公里的远距离量子纠缠纯化，纯化效率比此前国际最好水平提升了6000多倍。该成果2021年1月8日发表在国际知名期刊《物理评论快报》上。量子中继是在噪声信道中实现长距离量子通信的重要途径，而量子纠缠纯化是量子中继中的关键操作，利用量子纠缠纯化操作可以从两份纠缠度较低的纠缠态中提炼出一份纠缠度较高的纠缠态。此前的纠缠纯化协议都是利用两对低纠缠度的光子对实现，而研究组与合作者提出仅需一对超纠缠光子对的纠缠纯化方案。他们实验上制备出偏振和路径分别处于纠缠态的超纠缠光子对，并在11公里长的多芯光纤里进行纠缠分发，然后进行量子纠缠纯化操作。实验结果表明，分发后的偏振纠缠和路径纠缠初始保真度均为约0.665时，纯化得到的纠缠态的保真度可以提升到0.774，而初始保真度均为约0.771时，纯化后的保真度则可提升到0.887。他们还首次将纠缠纯化用于量子密钥分发，纯化前纠缠态的纠缠度太低，产生的有效密钥率为0，而经过纯化后，有效密钥率则提升到0.371。此外，由于只需要使用一对超纠缠光子对，该方案的纯化效率（每秒大约输出400对）比此前国际上的最好水平提升了6000多倍。该成果迈出了纠缠纯化从实验室平台到远距离的关键一步，同时大幅提升了纠缠纯化效率，为将来实现高效率的量子中继提供了有力的技术保障。论文第一作者为中科院量子信息重点实验室特任副研究员胡晓敏。该研究得到科技部、国家基金委、中科院、安徽省的支持。（a）实验概念图，（b）实验原理图。文章链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.126.010503

图片来源：阿尔托大学在量子力学面前，我们在生活中积累的常识往往不再适用。好在由于普朗克常数很小，我们平时并不会被种种奇怪的量子效应困扰，不过这并不意味着量子力学仅能描述微观层面几个原子、分子的行为。宏观物体的量子效应是存在的，只不过它们太微弱，很容易就淹没在种种噪声之中。今天，两组科学家分别在《科学》上发文指出，他们首次直接观测到了宏观物体的量子纠缠，甚至还能以此“规避”不确定性原理。量子力学掌控着从基本粒子到宏观物体的运动规律，但对于后者而言，这种掌控往往显得不太明显。在众多因素的干扰下，量子效应对经典物理造成的偏差变得几乎不可见。因此，确认、测量宏观物体的量子效应，就成为众多物理学家的目标。就在今天，发表于最新一期《科学》杂志的两项研究实现了突破：其中一项研究找到了宏观物体量子纠缠的直接证据，另一项则在一个类似的系统中“规避”了量子力学的基本定律之一——不确定性原理。当然，这里的宏观仅仅是相对于分子、原子的宏观，两项研究中实验对象的大小都在红细胞级别。但是，让这样尺度的“宏观”物体产生量子效应也绝非易事，它们与环境之间多种多样的相互作用随时都会破坏脆弱的量子态。为此，两个实验环境温度都被控制绝对零度附近。宏观量子纠缠在其中一项研究中，美国国家标准技术研究所（NIST）的什洛米科特勒（Shlomi Kotler）团队用微波脉冲让两张小的铝片膜进入量子纠缠状态。每张铝片膜长20微米，宽14微米，厚度为100纳米。其质量为70皮克，相当于大约1万亿个原子的质量。以量子的标准而言，它们已经达到了相当大的尺度。该实验中使用铝鼓膜的扫描电镜照片（伪色图） 图片来源：Science vol. 372 no. 6542 622-625两张铝片膜与一个电路相连，并被放置在低温腔中。当研究人员施加脉冲微波时，电路会与铝片膜相互作用，控制铝片膜的振动模式。在此条件下，铝片膜可以维持大约1毫秒的量子状态。这在量子力学的尺度下，已经是相当长的时间了。微波被处于量子状态的铝片膜反射后，会被信号器接收。通过对比反射前后的微波性质，研究人员可以分析出铝片膜的位置和动量信息。该实验系统示意图 图片来源：Science vol. 372 no. 6542 622-625研究团队仔细分析了反射的微波。在宏观世界中，反射回来的微波应该是随机的。但是当他们将结果绘制成图时，却发现微波具有特定的模式——两张铝片膜中，一个相对平静，而另一个则在轻微地抖动，表明两张铝片膜发生了量子纠缠。“单独分析两张铝片膜振动的位置和动量信息，你只能看出它们在振动而已，”这篇论文的作者之一，NIST的物理学家约翰托伊费尔（John Teufel）表示，“但是当你对比两者的信息时，你就会发现两张铝片膜看似无规律的振动之间，其实存在着高度的关联性。这一点只有量子纠缠才做得到。”研究团队的斯科特格兰西（Scott Glancy）解释称，他们发现两张铝片膜的位置和动量之间都存在关联，如果这种关联比经典物理学所能产生的关联要强，那么就表明铝片膜之间肯定存在量子纠缠。尽管返回的脉冲微波信号能够同时测量铝片膜的位置和动量信息，但是不确定性原理表明，其测量仍然存在一定的误差。为了尽可能地减少误差，研究团队进行了1万次重复实验，并利用统计学方法对铝片膜的位置等实验结果的一致性进行了计算。最终他们可以确定，这两个宏观物体的振动模式被量子纠缠关联了起来。“规避”不确定性原理在同期发布的另一篇论文中，来自芬兰阿尔托大学等研究机构的科学家在8毫开尔文的温度下，让两个铝鼓膜进入长时间、相对稳定的纠缠态。在这种纠缠态下，研究人员可以对同一个纠缠态进行多次测量，从而“规避”量子力学中的不确定性原理。在实验中，鼓膜振动的相位总是相反的。如果对鼓膜1施加一个力，则鼓膜2的运动方向一定和力的方向相反。论文作者米卡西兰普（Mika Sillanp）表示：“一个鼓膜对力的响应总是和另一个鼓膜相反的，有点类似于负质量。”该实验示意图 图片来源：Science vol. 372 no. 6542 625-629“在这种情况下，如果将两个鼓视为一个量子力学实体，那么鼓运动状态的不确定性就被消除了。”该研究的主要作者劳雷梅西尔德斯特普（Laure Mercier de Lépinay）解释说。不确定性原理是20世纪20年代末由海森堡提出的。根据这个量子力学的基本概念，由于波函数的数学性质，我们不可能同时准确得知一个物体的位置和动量。不过，这并不意味着我们不能准确得知物体的位置和动量，只是在同时测量两者时，不确定性原理的限制才会出现。而反作用规避（Back-action evasion）就是在不违反不确定性原理的情况下，绕过这一限制的一种方式。在这次的实验中，研究团队就利用了反作用规避。本质上，他们没有测量每个鼓的位置和动量，而是通过鼓膜运动对电路电压造成的影响，测量了铝鼓膜的动量之和。瑞士苏黎世联邦理工学院研究员楚一文（Yiwen Chu，音译，未参与这两项研究）表示：“实验中没有任何地方违反了不确定性原理。你只是选择了一组特定的，不会被（不确定性原理）禁止的参数。”宏伟的蓝图这两项实验都以确凿的证据证明了宏观物体也可以实现量子纠缠。在量子纠缠的状态下，物体的行为与经典物理的描述存在显著的区别。不论纠缠物体之间的空间距离有多远，它们也不能被独立描述。而这种和经典物理显著的区别，正是新型量子技术背后的关键理论支撑之一。楚一文表示：“我们并没有发现任何量子力学之外的新理论，”但是要实现这两项实验中的测量，仍然需要“令人印象深刻的技术进步”。这种技术进步带来的高度纠缠的量子系统，或许能够在未来的量子网络中充当长期网络节点。此外，研究中的高效测量方法也可能对量子通信或者量子网络节点间的纠缠交换等应用有所帮助，因为这些应用都需要对量子纠缠进行测量。而在量子力学之外，这种技术进步在需要亚原子精度测量时为科学家提供了新的选择。或许，未来的暗物质和引力波探测也将在这种技术的帮助下实现新的飞跃。

在量子材料与量子效应的研究中，无损的光谱学测量已经变得尤为重要。而在低温等极端条件下的原位显微光学测量是近十年来逐渐发展成熟的测量方法。近几年中大量重要的科研工作中都有低温光学测量的内容。Montana Instruments 生产的超精细多功能无液氦低温光学系统以其卓越的性能广受低温光学领域科学家的好评。超过千套设备分布在世界各地的重要高校和科研院所，并助力用户做出了大量的顶级科研成果。近期，超精细多功能无液氦低温光学系统用户的工作中又有两项问鼎了高水平学术杂志-Nature。1、正方晶格铱酸盐中的量子自旋向列相研究自旋向列是经典液晶概念的磁性类似物，是物质的第四种状态，同时表现出液体和固体的特征。特别是在价键自旋向列中，自旋具有量子纠缠效应，可以形成多极序而不破坏时间反演对称性，但目前为止，还难以在实验室进行透彻的研究。韩国浦项科技大学与浦项基础科学研究所的Hoon Kim, Jin-Kwang Kim, B. J. Kim等研究者利用变温拉曼光谱、磁光克尔测量和共振非弹性X射线散射等多种技术对Sr2IrO4进行测量，在正方格子铱酸锶 (Sr2IrO4) 中发现了自旋向列相和四极序，并利用共振X射线衍射技术确定了四极序的空间结构和对称性。其结果发表在Nature上（Quantum spin nematic phase in a square- lattice iridate）。本文中基于超精细多功能无液氦低温光学系统进行了大温区范围的变温拉曼测量。在冷却时，从拉曼光谱中获得了静态自旋四极磁化率的发散，以及伴随出现了与旋转对称自发破缺有关的集体模式。这标志着在Tc≈263K时向自旋向列相的转变，并且在Tn≈230K以下的反铁磁相中四极序持续存在。图：变温拉曼测量表明自旋向列相的相变。这一研究表明了在Mott绝缘相中存在自旋向列相等多重序，为我们提供了关于材料中隐藏序的新见解。研究还表明有可能通过电荷四极干涉来检测四极序。本篇研究的结果为探索具有强自旋轨道耦合的过渡金属氧化物等竞争相互作用材料中自旋向列相的产生提供了直接证据。揭示了人们普遍认为与高温超导机制密切相关的Néel反铁磁体的量子序。因此，这篇文章对于凝聚态物理领域的研究具有重要的推动作用。2、量子点-单光子超辐射研究量子光源发射器的亮度最终由费米黄金法则来决定，其辐射率与其振荡器强度乘以光子态的局部密度成正比。由于振荡器强度取决于固有的材料特性，因此对高发射率的追求依赖于使用电介质或等离子体谐振器来提高光子态的局部密度。相比之下，利用超辐射的集体行为来提高振荡器强度从而提高发射率这一途径研究还较少。最近，有人提出使用其巨振子强度跃迁可以使量子阱中的弱约束激子的相干运动延伸到许多晶胞上，从而明显提高振荡器的强度。图：载流子寿命的温度依赖特性瑞士苏黎世联邦理工学院Chenglian Zhu，Maksym V. Kovalenko & Gabriele Rainò等，在Nature上发文（Single-photon superradiance in individual caesium lead halide quantum dots），报道了单个铯铅卤化物量子点的单光子超辐射，在钙钛矿量子点中的单光子超辐射，辐射衰减时间低于100皮秒，几乎与报道的激子相干时间一样短。本篇工作中作者利用超精细多功能无液氦低温光学系统进行了系统的单量子点光谱测量。辐射率对量子点的大小、组成和温度的特性依赖性测量表明，系统形成了巨大的过渡偶极子，并且通过有效质量计算对测量结果进行了证实。本篇研究结果有助于开发超亮相干量子光源。本研究还证明了单光子发射的量子效应在比激子玻尔半径大十倍的纳米颗粒中持续存在。超精细多功能无液氦低温光学系统超精细多功能无液氦低温光学系统以超低振动和超高的温度稳定性被广泛应用于多种高精度的变温光谱和显微成像实验中。Montana Instruments推出的新一代超精细多功能无液氦低温光学系统——CryoAdvance，是基于模块化设计架构的新一代标准化产品。该系统采用特殊减振技术和温度稳定技术，在不牺牲任何便捷性的同时，为实验提供超高温度稳定性和超低振动环境。CryoAdvance系列产品具有多种型号、配置、选件与配件可选，能够满足每个研究人员的个性化需求。除了标准系统之外也可为用户提供整体光学测量系统的解决方案。 CryoAdvance技术特点：&blacksquare 自动控制：智能触摸屏，“一键式操作”，实时显示温度、稳定性、真空度等多种指标。&blacksquare 模块化设计：多种配置可选，快速满足各种实验需求，后续升级简单。&blacksquare 多通道设计：基本配置已包含光学窗口+直流电学+高频电学通道。&blacksquare 稳定性设计：新设计在变温和振动稳定性上进一步优化。&blacksquare 最低温度：3.2K&blacksquare 振动稳定性：&blacksquare 光学通道：多个光学窗口，近工作距离、集成物镜、光纤引入等多种配置可选。Montana超精细多功能无液氦低温光学系统

p style=" text-align: center " 　　 img src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201602/insimg/6c705e03-4866-4043-bc00-2acbbbf48ec4.jpg" title=" 2190009d92c102ae316.jpg" / /p p style=" text-align: center " 潘建伟(右)、陆朝阳 /p p br/ /p p 　　在一场长达15年的国际竞赛中，最近，中国科学技术大学潘建伟、陆朝阳研究小组拔得头筹，率先实现了同时兼备“三项全能”最优指标的单光子源，为实现大规模的光子纠缠和可实用量子信息技术开辟了一条新路。 /p p 　　这项工作1月14日在《物理评论快报》(Physical Review Letters)上发表。随后，美国物理学会的《物理》(Physics)网站以“全能的单光子源”为题刊发了推介文章，《自然》(Nature)杂志以“可实用化的单光子源”在其研究亮点栏目做了报道，英国物理学会《物理世界》(Physics World)和美国光学学会旗下的《光学与光子学新闻》(Optics & amp Photonics News)也做了长篇报道。 /p p 　　这个引发国际广泛关注的“单光子源”到底是什么?它有哪些性能、又有何应用?《知识分子》试图一探究竟。 /p p br/ /p p 　　对单光子的制备、操纵和测量是量子信息技术(如量子网络、量子计算)最基础的部分。如果把大规模可实用化的光学量子信息处理器看成一幢大房子，那么单光子就是一步一步垒成这个房子的砖头。房子要造得高，砖头的质量很关键。 /p p 　　优良、纯净、实用的单光子源是可扩展量子信息和量子计算绕不开的一个关卡。如今，它从理想变为现实，就像早些时候潘建伟、陆朝阳团队“多自由度量子体系的隐形传态”的实现一样，不仅突破了以往技术的局限，也让人们看到了量子信息技术大规模实用化的曙光。 /p p 　　对于未来可以真正用于可扩展、实用化的量子信息技术来说，所需的单光子发射器的优劣主要包括三个核心性能指标的考量：单光子性(Single-photon Purity)、全同性(Photon Indistinguishability)和提取效率(Extraction Efficiency)。光量子信息主要是利用量子干涉效应和量子纠缠等为基础进行信息编码、传输和处理的技术。而以上三项指标，与此息息相关。 /p p 　　什么是“单光子性”呢?大家记不记得上小学的时候，下课铃声一响，咱们都找三两个小伙伴一起出去玩儿。通常，自然界产生的光子也喜欢这样“抱团儿”。可是一抱团儿科学家操纵起来就很难了。他们希望得到的光子像通过旋转式栅门一样，一个一个独自走出来，便于进行操作。 /p p style=" text-align: center " img src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201602/insimg/a637ed97-13c9-4b61-b8e0-1d009bb08fae.jpg" title=" 2cc0000242288e3da45.jpg" width=" 600" height=" 170" border=" 0" hspace=" 0" vspace=" 0" style=" width: 600px height: 170px " / /p p br/ /p p 　　上、中、下三束光子，区别在于，越往下，光子越喜欢“抱团儿”。量子信息需要的正是最上面的那种。 /p p 　　此外，光量子计算不可避免地需要控制逻辑门操作，光子与光子之间必须进行某种“对话”。可是静质量为零、以光速飞行、神龙见首不见尾的单光子都气质高冷，绝大多数情况下都独来独往，不和其他光子来往。但是，在真正觅得知音的特殊情况下，光子还是能够和聊得来的同伴进行“对话”。对光子来说，“聊得来”是什么意思呢? /p p 　　1987年，美国罗切斯特大学的三位研究人员Chung-Ki Hong、Z.Y. Ou(区泽宇)和Leonard Mandel发现了一种双光子量子干涉效应，实现了两个单光子的“对话”【1】。这个过程的发生有一个至关重要的条件，就是两个光子一定要“全同” 也就是说，从量子力学原理上，两个光子一模一样，根本不可能分得清谁是谁。 /p p style=" text-align: center " img src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201602/insimg/f0a83479-4236-480b-89c3-ec4762c23af7.jpg" title=" 2190009d92b6d091060.jpg" width=" 600" height=" 169" border=" 0" hspace=" 0" vspace=" 0" style=" width: 600px height: 169px " / /p p br/ /p p 　　Hong-Ou-Mandel干涉效应原理图。当两个一模一样的光子分别从上、下方向射向一个半透半反的分束器，结果存在1、2、3、4四种可能。其中，2、3这两种情况在原理上都无法区别，而且相位相消，因而剩下1、4两种可能：要么都从上方走，要么都从下方走。其实，Hong-Ou-Mandel干涉效应也进一步说明了光子不抱团儿的重要性——只有两个单光子输入分束器，该效应才存在。 /p p 　　至于提取效率呢?提取效率衡量的是从谐振腔跑出来到达第一级透镜的光子数占产生光子数的比例。可想而知，当然是越大越好，因为对于N个光子的体系来说，总的效率是单个量子点提取效率的N次方，如果提取效率不够大，总效率会非常小，大规模的应用也只能是空中楼阁啦。 /p p 　　三个指标同时达到优良，实现起来到底有多难呢? /p p 　　在过去的将近二十年里，优良的单光子源是国际上许多小组努力的目标。2000-2001年，加州大学、剑桥大学和斯坦福大学等研究组实现了基于非共振激发量子点产生的单光子源【2-4】。量子点(Quantum Dot)是由分子束外延方法人工生长的纳米尺寸原子团簇。由于材料性质，电子在各方向上的运动都受到囚禁，所以量子限域效应显著，形成分立的能级。电子受到激发，在分立能级之间跃迁，就能发射我们需要的单光子。 /p p 　　之前非共振激发有着致命的缺陷。首先，它使得产生的光子频谱加宽 其次，产生光的波长之所以会偏离激发光的波长，是因为激发到高能级的电子会先跃迁至附近的某个能级(即弛豫过程)，再跃迁至低能级发射光子，而弛豫过程的时间人们无法控制，所以发射时间会有“抖动”，以至于到两个原本需要“对话”的光子可能无法同时达到，压根儿打不着照面儿。 /p p 　　采取共振激发方法(量子点产生的光子波长等于激发光波长)能克服这两个问题。但是，其技术代价是，如何滤除比单光子信号强一百万倍以上的激光背景。2009年，赵勇、陆朝阳等所在的英国剑桥大学卡文迪许实验室Atatü re小组利用激发光和产生光的偏振性质不同来消除激光背景，观测到了量子点荧光【5】。 /p p 　　但是，Atatü re团队实现的单光子源采取的是连续激发，产生的光子效率低而且时间是随机的，这无法在量子信息方面得到应用。因为若要光子发射器为我所用，人们需要一个控制光子的“开关”——我这厢一按“激发”，那厢光子就往外跑 我一按“停止”，发射器就不再发射光子。 /p p 　　这样的“开关”在2013年由潘建伟、陆朝阳小组实现，他们首创量子点脉冲共振激发方法，实现了当时国际上品质最好的量子点单光子源，单光子性和全同性分别达到99.7%和97%【6】。但美中不足的是，提取效率只有6%，主要就是由于量子点材料折射率、平面腔结构设计等各方面技术限制。也就是说，前面提到的三个指标还是无法同时达到优良。 /p p 　　进一步的发展需要更好的半导体工艺。在该团队最新的工作中，通过高精度分子束外延生长与纳米刻蚀工艺结合，获得了低温下与量子点单光子频率共振的高品质因子光学谐振腔。 /p p style=" text-align: center " img src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201602/insimg/cd22bc7b-83e9-4a47-9787-524d4b518837.jpg" title=" 2530007b5cce561408e.jpg" / /p p br/ /p p 　　一根根“柱子”就是光学谐振微腔，由一层层的“镜面”构成。腔中的红点就是量子点，量子点受激产生光子。完美的谐振腔设计保证光子达到我们需要的指标。 /p p 　　如果我们把腔中的红点放大了看，就能看到量子点的真容，像下图这样。 /p p style=" text-align: center " img src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201602/insimg/37928bf4-28c3-4d05-8627-681452aa9152.jpg" title=" 2530007b5ced818c032.jpg" / /p p br/ /p p 　　紫红色的部分就是利用高精度分子束外延生长技术制备的量子点。科研人员在纳米尺度上控制砷化镓和砷化铟，让它们长成图中的样子，就是为了巧妙设计量子点的尺度和形状，形成势能壁垒，将电子和空穴束缚其中，砷化镓和砷化铟原本都有各自的能带结构，在这样的势肼中，连续的能带变成了分立的能级，这就是受激辐射产生光子所需的二能级结构——电子吸收能量从基态跃迁至激发态，再通过受激辐射回到激发态，同时放出一个特定状态的光子。 /p p 　　经过精心设计和多次尝试，最终的综合指标令人满意，单光子性、全同性和提取效率分别达到了99.1%、98.5%和66%【7】。这是国际上首次能够把这三项指标在同一个量子点上结合在一起，达到“三项全能”。 /p p 　　这项工作距离大规模光子纠缠还有多远?这是很多人关心的问题。 /p p 　　虽然提取效率达到了66%(理想的水平实际应该可以达到85-99%)，但最终被探测器探测到的光子只有20~30%，也就是说，探测效率还需要进一步提高。实现更高的提取和探测效率，将是量子信息技术下一阶段中进行协同创新、系统集成要抢占的高地，也是将量子技术推向实用化的必经之路。 /p p 　　潘建伟团队估计，能操纵20-30个光子，量子模拟机就可以在波色取样问题上实现与现有最好的商用经典计算机一样的处理能力 由于并行处理能力，若能控制50个左右的光子，就可以在特定问题上跟目前最好的超级计算机——天河二号一较高下。那也许就是量子计算和经典计算“华山论剑”的激动时刻了。 /p p 　　(特别致谢：中科大上海研究院张文卓副研究员对本文亦有贡献。) /p p 　　参考文献： /p p 　　【1】C. K. Hong, Z. Y. Ou, and L. Mandel，Measurement of Subpicosecond Time Intervals Between Two Photons by Interference，Phys. Rev. Lett. 59, 2044(1987) /p p 　　【2】P. Michler, A. Kiraz, C. Becher, W. V. Schoenfeld, P. M. Petroff, Lidong Zhang, E. Hu, A. Imamoglu, A Quantum Dot Single-Photon Turnstile Device, Science 290, 2282 (2000) /p p 　　【3】C. Santori, M. Pelton, G. Solomon, Y. Dale, Y. Yamamoto, Triggered Single Photons from a Quantum Dot, Phys. Rev. Lett. 86, 1502 (2001) /p p 　　【4】Z. Yuan, B.E. Kardynal, R.M. Stevenson, A.J. Shields, C.J. Lobo, K. Cooper, N.S. Beattie, D.A. Ritchie, M. Pepper Electrically Driven Single-Photon Source, Science 295, 102 (2002) /p p 　　【5】A. N. Vamivakas, Y. Zhao, C.-Y. Lu, M. Atatü re, Spin-resolved quantum-dot resonance fluorescence, Nature Physics 5, 198-202 (2009) /p p 　　【6】Y.-M. He, Y. He, Y.-J. Wei, D. Wu, M. Atature, C. Schneider, S. Hofling, M. Kamp, C.-Y. Lu, J.-W. Pan, On-demand semiconductor single-photon source with near-unity indistinguishability, Nature Nanotechnology 8, 213-217 (2013). /p p 　　【7】X. Ding, Y. He, Z.-C. Duan, N. Gregersen, M.-C. Chen, S. Unsleber, S. Maier, C. Schneider, M. Kamp, S. Hö fling, C.-Y. Lu, J.-W. Pan，On-Demand Single Photons with High Extraction Efficiency and Near-Unity Indistinguishability from a Resonantly Driven Quantum Dot in a Micropillar, Phys. Rev. Lett. 116, 020401 (2016) /p p br/ /p

量子光学是以辐射的量子理论研究光的产生、传输以及光与物质相互作用的学科。双光子干扰是一种基本的量子光学效应，在量子信息科学中有着大量的应用。来自美国坦佩雷大学的Robert Fickler和Markus Hiekkamki，证明了利用光子的空间形状可以近乎完美地控制双光子干涉。研究结果发表在《物理评论快报》期刊上。单光子可以有高度复杂的形状，已知有利于量子技术，如量子密码、超灵敏测量，或量子增强计算任务。为了利用这些所谓的结构光子，关键是要让它们干扰其他光子。“基本上所有量子技术应用中，一个关键任务是提高以更复杂和可靠的方式操纵量子态的能力。在光子量子技术中，这项任务包括改变单个光子的性质，以及多个光子彼此干涉。”Fickler说。两位研究人员针对沿单一光束路径的多个横向空间模式的双光子干涉进行了研究。除了使用二维空间模式分流器实现Hong-Ou-Mandel干扰的模拟之外，他们还将该方案扩展到观察不同的三维和四维空间模式多端口的凝聚和反凝聚。在空间模式内的操作，沿着单一的光束路径，解除了对干涉测量稳定性的要求，为复杂的量子信息任务开辟了实现线性光学网络的新途径。研究人员下一步的目标是利用这种方法开发新的量子增强传感技术，同时探索更复杂的光子空间结构，开发利用量子态计算系统的新方法。参考资料：http://news.sciencenet.cn/htmlnews/2021/5/457119.shtm

引力波模拟图 　　据近日美国《基督教科学箴言报》在线版文章称，德国引力波探测器GEO 600的一项奇怪发现，不但可能冲击现有宇宙理论，还引发美国费米国家实验室的科学家们开始建造一个“全息干涉仪”，将探测深入到“普朗克长度”，以便更进一步观察宇宙的时空结构及这一结构中的波动――引力波。 　　引力波被称为“爱因斯坦广义相对论中最后一个尚未被证明是对的组成部分”，新探测仪器的出现有可能使人们直接观测到时间的不连续性，亦将带领人们发掘宇宙起源最深处的奥秘。 　　激光干涉追寻时空波纹 　　引力波其实是爱因斯坦对于万有引力本质的理解。他认为引力场有一种跟电磁波一样的波动，是为引力波。而引力波表现为时空曲率的扰动，以行进波的形式向外传递，其传播速度等于光速。 　　按道理，引力波存在且无处不在，深空中的突变性事件，如超新星爆发、黑洞形成、大型天体相撞这些过程，都能辐射出较强引力波。但事实上，以往在地球上进行的引力波直接搜寻的所有努力都以失败告终。其原因在于，波动虽能造成地球上各处相对距离的变动，但当它们到达地球的时候已经变得非常弱了，对于地球上最先进的引力波探测器来说，其变动的数量级小于一颗质子直径的千分之一。因而尽管引力波毫不模糊且被公认，却一直只能是广义相对论的预言。 　　但科学家们可不满足于这一点。于是，基于激光干涉原理的引力波探测器被建造出来。这一类型的探测器通过测量两条激光束相遇时所形成的干涉图像的变化来探测引力波，干涉图像依赖于激光束的传播距离，当引力波穿过时激光束的传播距离会相应变化。 　　因为目标是非常微弱的信号，引力波探测器的敏感度需达到几乎难以想象的程度。以德国引力波探测器GEO 600来讲，其对距离上极微小的变化都非常敏锐，甚至可探测到日地距离所发生的原子半径级别的变化。不过，这种激光干涉计的探测器灵敏度要与激光传播的距离成比例的话，一般来讲其尺寸都非常可观。 　　“奇怪波动”挑战现有认知 　　德国的GEO 600并不是新产物了，其已默默工作有些时日。然而，在近期利用其搜寻引力波的过程中，物理学家偶然发现了令人迷惑的现象――这一高科技设备虽然还没有找到引力波存在的证据，但却发现了大量的噪音。 　　这就有必要简单描述一下这类探测器的工作过程。以GEO 600为例，其要实现功能，需要发射一束激光穿过600米的隧道，再将激光分裂成两束，经过反射的一束以及未经反射的一束均进入干涉仪。当引力波经过这部分空间的时候，两束激光之间的微小位移将会由干涉仪进行探测。即便这种距离的变化非常之微妙，但如果引力波探测器有结果，那就很可能是引力波通过时引起的。 　　而今GEO 600的“噪音”让研究人员无从解释，在剔除了所有人为因素的影响之后仍不得要领，他们于是向费米实验室的科学家克雷格・ 霍根寻求帮助，希望他利用量子力学上的专业知识帮助阐明这一不规则的噪音。 　　霍根反馈的意见让人震撼又迷惑。他说：“看上去GEO 600受到了时空微观量子级别的冲击。”换句话说，GEO 600探测到的并不是来自什么噪音源，而是时空本身发生的量子级别波动。 　　这一看法的深层意义在于：根据爱因斯坦对宇宙的认知，时空应该是连续平滑的，而照霍根的结论推测时空实际上是不连续的，是由一系列量子点组成。其直指爱因斯坦的理论需要修正。 　　全新探测器进入量子尺度 　　量子力学的测不准原理意味着一些基本量度如长度和时间具有测不准性。而测不准的程度由普朗克常数确定，该常数可以定出最小长度量子――“普朗克长度”，比其更短的长度是没有意义的。 　　现在，要证明“奇怪波动”的来源，研究人员就需要深入到“普朗克长度”――10-35米进行探测，而GEO 600实验中探测到的噪音尺度不到10-15米。因此需要提升引力波探测仪的分辨率，这导致了“全息干涉仪”的产生。 　　“全息干涉仪”是利用全息照相的方法来进行干涉计量，其与一般光学干涉检测方法很相似，但获得相干光的方式不同。光学干涉检测方法获得相干光的方式如前所述，一般是将同一束光的振幅分为两个部分，但全息干涉计量术则是将同一束光在不同时间的波前来进行干涉，可以看作是一种波前的时间分割法。这就使相干光束由同一光学系统所产生，可以消除系统误差。 　　霍根认为，GEO 600在其尺度上发现的噪音是由于宇宙“视界”(天文学中黑洞的边界，在此边界以内的光无法逃离)的全息投射造成的。霍根比喻说，这就像一张图片越放大就会越模糊甚至像素化，宇宙“视界”投射其实发生在普朗克尺度中，所以在我们所身处的时空尺度上，这一投射发生了模糊。 　　而要验证霍根的结论，目前最值得依赖的就是这台“全息干涉仪”。其现正由费米实验室全力打造，它必将比GEO 600探测到更小的尺度，从而进入到量子尺度。如果霍根的看法是正确的，探测器将能探测到时空结构中的量子噪声，给我们现有对宇宙的认知带来巨大的冲击。

近日，教育部公布了2020年度普通高等学校本科专业备案和审批结果，审批结果显示，中科大获批新增设“量子信息科学”、“工程物理”、“环境科学与工程”、“网络与新媒体”、“人工智能”5个本科专业。一直以来，量子信息科学都是量子力学与信息学交叉形成的一门边缘学科。近年来，量子信息学给经典信息科学带来了新的机遇和挑战，量子的相干性和纠缠性给计算科学带来迷人的前景。新增设量子相关专业体现出了我国对量子科学人才培养的重视。无独有偶，2020年8月，印第安纳大学宣布开设量子信息科学理学硕士课程，课程为期一年，涉及多学科密集性教学，涵盖物理学、化学、数学、计算机科学、工程学和商业。获得量子信息科学理学硕士学位的学生有机会进入量子计算硬件和软件公司以及从事量子信息科学的国家实验室工作。实际上，在全球范围内，已经有多所大学设立了量子信息科学硕士学位。量子相关学科的人才培养已受到各国的关注和重视。在去年的两会上，量子科学是代表委员们关注的焦点之一，量子信息科学及其产业化也引发热议。安徽代表团集体建议支持创建量子信息科学国家实验室。中国科学院上海分院院长、“墨子号”量子科学实验卫星发射总指挥王建宇代表认为，安徽、北京、上海基于我国在量子领域的国际领先优势，应该组建网络化布局的量子信息科学国家实验室。随着近年来我国对量子科学的不断重视，相关的科研成果也不断涌出。2016年8月，“墨子号”量子科学实验卫星发射升空。中国科学技术大学教授潘建伟及其同事陈宇翱、徐飞虎等利用多光子量子纠缠，在国际上首次实现分布式量子相位估计的实验验证，为构建基于量子网络的高精度量子传感奠定基础，成果发表于2020年11月30日《自然—光子学》。中科大郭光灿院士团队在量子存储领域取得重要进展，该团队李传锋、周宗权研究组首次实现了按需式读取的可集成固态量子存储器，成果发表于12月28日的《物理评论快报》上。2020年12月3日，中国科学技术大学潘建伟、陆朝阳等组成的研究团队与中科院上海微系统所、国家并行计算机工程技术研究中心合作，构建了 76 个光子 100 个模式的量子计算原型机 “九章”，实现了具有实用前景的 “高斯玻色取样”任务的快速求解。我国在量子计算领域我们已经处于世界领先水平。这一系列的成果，只是量子科学研究的开端，量子科学未来将迎来大发展。而中国科大增设“量子信息科学”专业将为我国未来量子科学提供坚实的人才基础。

全国两会，既是中国政治生活中的一件大事，又连接着万千百姓的小日子。3月5日，备受瞩目的政府工作报告出炉，“量子信息”这一关键词被放在极其重要的位置。十三届全国人大四次会议在京开幕报告指出，过去五年，创新型国家建设成果丰硕，在载人航天、探月工程、深海工程、超级计算、量子信息等领域取得一批重大科技成果。这是“量子信息”首次出现在国务院政府工作报告中，奏响“科技自立自强”的最强音。而在近日教育部公布的2020年度普通高等学校本科专业备案和审批结果的新增专业目录中，“量子信息科学”正式被列为本科专业。量子信息科学未来发展的重要性不言而喻！量子科技教育，离不开量子理论和实验的紧密结合。多年来，国仪量子面向全国高等院校提供实验课程解决方案，默默耕耘，形成金刚石量子计算教学机、量子计算云平台、量子光学实验平台等量子教育解决方案，助力高校推进量子信息学科建设，完善和创新学科教学内容、教学方法、教学手段。金刚石量子计算教学机金刚石量子计算教学机是国仪量子为了更好地促进量子力学和量子计算相关的教学，推出的全球首款、面向大众的基于金刚石中NV色心，以自旋磁共振为原理的设备，通过控制光、电、磁等基本物理量，实现对NV色心发光缺陷的自旋进行量子操控和读出，从而实现量子计算等功能的教学仪器。该仪器可以在室温大气下运行，无需低温真空环境，使得设备有着几乎为零的运行成本，桌面型的设计让它能适应各种不同的教学环境，无论是课堂还是实验室，都能轻松进行量子力学和量子计算实验教学。不仅如此，金刚石量子计算教学机丰富的硬件模块支持学生动手搭建和调试，多功能的软件支持自定义脉冲序列编写。金刚石量子计算教学机可以帮助和促进高校、科研机构在开设、优化大学物理实验课、近代物理实验课、量子信息科学专业课程的相关工作，方便教师展示教学，激发学生的兴趣和想象力，提高学科水平和教学质量。基于金刚石量子计算教学机，国仪量子可以提供包括实验室建设、教学讲义、教学视频、教学课件、示范课培训等量子计算教学相关的整体配套解决方案定制服务，让学校和老师们更轻松地开设相关实验课程。目前，国仪量子金刚石量子计算教学机已成功交付至多个国内高校，中国科学技术大学、南京大学、深圳大学、华中师范大学、上海大学、天津大学等几十所高校已开设实验课程并得到良好效果。量子计算云平台量子计算是一种基于叠加性、纠缠性、量子隧穿等量子力学效应的新型计算模式。与传统的数字计算相比，可以极大的减少计算时间和能量消耗，未来将在人工智能、网络安全、云计算、金融服务、化学模拟、生物制药等领域产生深度乃至颠覆性影响。国仪量子计算云平台是以量子计算为核心的云服务产品，能够提供适用于高校和科研院所的量子计算在线云服务。配套金刚石量子计算教学机使用，可以提供一套完整的量子计算实验课程方案。主要功能包括：（1）量子算法原理教学 包括量子克隆算法、Grover 搜索算法、 量子相位估计算法、Shor 算法等。（2）作业管理和课程考核 量子计算云平台提供实验课作业提交系统，方便作业管理和课程考核。（3）线上和网课教学 配套金刚石量子计算教学机，延伸量子计算实验课程。（4）算法编辑与结果展示 量子线路图编辑简单，算法运行结果以概率柱状图直观展示。量子光学实验平台量子光学是现代物理学中最重要的基础学科之一，也是当前发展极为迅速的学科，已被应用于许多重要的高新技术领域。量子光学实验平台是采用BBO参量下转换、单光子探测等技术，用于开展量子纠缠源制备与验证、量子随机数产生等基础物理实验，同时可支持单光子源产生探测等拓展研究实验的一体化平台。量子光学实验系统可以帮助和促进高校、科研机构在开设、优化大学物理实验课，近代物理实验课，量子光学科学专业课程的相关工作，方便教师展示教学，激发学生的兴趣和想象力，提高学科水平和教学质量。《政府工作报告》掷地有声地指出，以“十年磨一剑”精神在关键核心领域实现重大突破。为了适应国家发展战略和区域经济社会发展需要，促进中国高等院校“双一流”建设，国仪量子将持续优化量子信息实验课程解决方案，助力“量子信息科学”专业等学科建设，为“第二次量子革命”培养更多生力军！延伸阅读 了解更多赞！天津大学量子计算实验课第一学期圆满收官

激光干涉测量助力空天探索 在空天探索领域，空间引力波探测是当前国际研究热点，作为人类观测宇宙的新窗口，引力波将为人类探索早期黑洞合并、超新星爆发等宇宙结构形成过程提供观测手段，对探索宇宙起源与演化具有重要的意义。为了探测中低频段的空间引力波，国内外研究人员计划在相距数十万乃至数百万千米的空间轨道上建立超高灵敏度星间激光干涉系统，该方法的本质是将现有的激光干涉超精密测量技术应用到外太空去，突破地面探测臂长的限制，摆脱地面各种干扰源对精密测量的影响。其关键技术是测量相距数百万公里的两个测试质量之间的间距变化，主要包括：测试质量与卫星平台之间的间距变化、两个卫星平台之间的间距变化，前者涉及到测试质量的多个自由度精密检测，探测灵敏度需要在1 mHz~1 Hz频段达到~1 pm/Hz1/2（平动）以及~1 nrad/Hz1/2（转动）水平。揭秘空间引力波探测的原理 空间引力波探测任务需要实现对测试质量皮米量级的平动测量以及纳弧度量级的转动测量，关键技术单元包括：激光外差干涉、差分波前传感以及高精度相位测量三部分，如图1所示，通过测量两测试质量之间的平动转动，获得其间距变化信息，从而探测引力波信号。图1面向空间引力波探测的激光外差干涉多自由度超精密测量技术示意图激光外差干涉 激光外差干涉测量原理如图2所示，频率相近的两束激光（测量光频率f1，参考光频率f2）合束后，合成波（频率为f1+f2）会存在一个包络，其频率为|f1-f2|，这一包络频率也被称为外差频率。 当测试质量在沿测量光传播方向上运动状态改变、或者引力波来临时，干涉仪的测量臂光程发生变化，表现为外差干涉信号的相位波动，即图2中紫色虚线部分。以经典迈克尔逊干涉结构为例，外差干涉信号相位的一个周期变化对应位移变化半波长（光程变化一个波长），有 其中，λ为激光输出波长，L为测试质量的等效位移，φ为外差干涉信号的相位变化。图2 激光外差干涉原理示意图差分波前传感 差分波前传感是一种基于激光波前相位比较的高精度角度测量方法，测量原理如图3所示。测量光与参考光合束后入射至四象限探测器表面，两束光满足干涉条件产生外差干涉信号，照射在探测器四个象限后会分别产生四路干涉信号。当测量目标平动时，四路外差干涉信号相位发生相应波动，与采用普通光电探测器的原理相一致；当测量目标转动时，测量光的波前相对参考光发生偏离，由于四象限探测器具有一定的空间间距，导致四路外差干涉信号的相位波动并不相同，通过对比不同象限的干涉信号相位差异，可以反演得到测量目标在水平方向和竖直方向上的转动角度，有 其中，θh为水平转动角，θv为垂直转动角 ФA/B/C/D为不同象限的外差干涉信号相位变化 kh/v为比例系数，由光束参数以及四象限探测器的几何参数共同决定，实验中常用偏摆镜配合自准直仪进行标定。图3 差分波前传感和四通道拍频信号波形示意图高精度相位测量 高精度相位测量可以通过锁相放大器或者相位计来实现，其基本原理如图4所示，外差干涉信号转化为电信号后与本地时钟（或外部参考）及其正交信号混频，低通滤波后分别得到Q信号（quadrature）和I信号（in-phase），计算I/Q反正切值并作相位解包裹运算得到相位差，Q信号作为相位误差信号反馈至本地可调时钟，更新本地时钟输出频率从而保持与输入外差干涉信号频率一致，形成锁相环路。图4 相位测量基本原理[1]国内外干涉仪研究进展LISA LISA （Laser Interferometer Space Antenna）是于1992年发起的一项探测1 mHz~1 Hz频段引力波信号的科学研究计划，这是最早开始、也是目前国际上发展最成熟的空间引力波探测计划，其中一项关键技术是实现测试质量的超高灵敏度多自由度测量。 2012年，德国汉诺威大学的Marina Dehne等人设计搭建了一套用于验证测试质量干涉仪噪声源及其消除技术的激光外差干涉测量系统，分析了多个噪声源（激光频率、激光强度、激光指向漂移、温度、偏振态、移频驱动边带、杂散光等）对相位读出的影响，并研究了多种噪声消减数据处理方法，在空间引力波探测目标频段成功实现了~1 pm/Hz1/2的超精密位移测量。图5给出了LISA激光干涉平动转动测量技术发展时间线，该计划从提出开始，经历地面模拟论证、噪声源探索、技术卫星验证、光路布局优化测试等，距今已经开展了三十余年，其中用于测试质量多自由度测量的激光外差干涉技术灵敏度已经突破1 pm/Hz1/2和1 nrad/Hz1/2。目前光学干涉平台布局处于优化设计阶段，激光外差干涉超精密测量技术是否能够实现百万公里距离的两测试质量之间的皮米级平动测量并成功探测到宇宙深处的引力波，这仍然需要时间来给出答案。图5 激光干涉平动转动测量技术发展时间线(LISA)太极&天琴 2008年，我国科学家开始探讨中国的空间引力波探测计划，并于2012年正式成立了空间引力波探测工作组，2014年提出基于“日心”轨道和“地心”轨道两个独立的探测方案，即太极计划和天琴计划[2-3]。目前两者均形成了较为完备的星间激光干涉测量方案。 同LISA一样，太极和天琴于2019年分别发射了太极一号和天琴一号技术验证卫星，所搭载的光学干涉平台如图6所示，前者采用殷钢材料制作光学干涉平台基座、后者则采用光粘的方式来提高干涉装置的热稳定性，两者都包含有前端光程参考干涉仪和测试质量测量干涉仪。测试实验最新结果表明，空间激光干涉仪可以实现毫赫兹频段皮米量级的超精密位移测量，标志着我国在空间引力波探测中用于测试质量的激光外差干涉测量技术研究正逐渐走向国际前列。图6 我国空间引力波探测技术验证卫星激光干涉平台（a）太极一号[2]（b）天琴一号[4] 其他 2021年，美国德州农工大学提出了一种一体式外差干涉仪，将分光镜波片等关键镜组胶粘成一个整体，提升干涉仪稳定性，并通过抽真空、被动控温、噪声建模消减等措施最终实现了33 pm/Hz1/2@0.1 Hz的平动测量。 2022年，清华大学谈宜东团队提出了一种用于测试质量五自由度测量的偏振复用双光束干涉仪，光路设计如图7所示，包含参考干涉仪（RHI）、双光束干涉仪（DBHI）和偏振复用干涉仪（PMHI），初步实验在10 mHz~1 Hz频段实现了优于10 pm/Hz1/2 以及20 nrad/Hz1/2的平动转动灵敏度测量。图7 偏振复用双光束激光外差干涉五自由度测量系统星辰宇宙，未来可期 “此曲只应天上有，人间难得几回闻”，如果说引力波是携带着浩瀚宇宙信息的乐曲，那么激光干涉超精密测试技术就是用来“听曲”的最灵敏的传声筒。在空间引力波探测领域，我国的激光外差干涉多自由度超精密测量技术相比于欧美LISA团队仍处于跟跑阶段，但未来有希望实现并跑甚至领跑。而且，空间引力波探测中涉及的外差干涉技术，可以对长度量进行高精度、大量程的超精密测量，可扩展应用于下一代高速、超精密二维或三维运动台的精确定位与运动控制，进而支撑我国超精密加工制造、IC 装备及尖端航空航天科技的发展，对于国民经济和工业建设有着重要的实际意义[5]。全文下载：空间引力波探测中的激光干涉多自由度测量技术.pdf参考文献：[1]Schwarze T S.Phase extraction for laser interferometry in space: phase readout schemes and optical testing[D]. Hannover: Institutionelles Repositorium der Leibniz Universität Hannover, 2018.[2] Luo Z R, Wang Y, Wu Y L, et al. The Taiji program: A concise overview[J]. Progress of Theoretical and Experimental Physics, 2021(5), 05A108.[3] Luo J, Chen L S, Duan H Z, et al. TianQin: a space-borne gravitational wave detector[J]. Classical & Quantum Gravity, 2015, 33(3): 035010.[4]Luo J, Bai Y Z, Cai L, et al. The first round result from the TianQin-1 satellite[J]. Classical and Quantum Gravity, 2020, 37(18): 185013.[5] 谈宜东, 徐欣, 张书练. 激光干涉精密测量与应用.中国激光,2021,48(15) : 1504001.作者简介 谈宜东，清华大学精密仪器系，长聘副教授，博士生导师，副系主任；基金委优秀青年科学基金获得者，英国皇家学会牛顿高级学者，教育部创新团队负责人。中国电子信息行业联合会光电产业委员会副会长、中国仪器仪表学会机械量测试仪器分会常务理事。 主要从事激光技术和精密测量应用等方面的研究工作。作为负责人承担国家自然科学基金，装发和科工局测试仪器领域关键技术攻关项目，科技部重点研发计划课题，军科委基础加强，重大科学仪器专项等项目40余项。在Nature Communications,PhotoniX, Optica, Bioelectronics and Biosensors, IEEE Transactions on Industrial Electronics等期刊发表 SCI 论文 100余篇，授权发明专利36项，在国际会议Keynote/Plenary/Invited报告40余次。先后获日内瓦国际发明展金奖，中国激光杂志社主编推荐奖，中国光学工程学会技术发明一等奖，中国电子学会技术发明一、二等奖多项。课题组介绍 清华大学精密仪器系激光技术与精密测量应用课题组，在激光器件及其物理效应、精密测量应用等方面开展了大量的工作，构成了从基础器件的设计和发明，到物理现象和效应的发现，进而在发现基础上的仪器发明，直至仪器的推广和应用这一较为完整的体系。先后研制了双折射-塞曼双频激光器及其双频激光干涉仪，实现了成果转化，成规模应用于国家02专项以及中芯国际、吉顺芯等公司进口光刻机干涉仪的替换；基于激光回馈原理的无靶镜纳米测量干涉仪，用于国家多个重点型号工程，包括：高分四号、一号以及激光聚变点火等。课题组还开展了远距离激光侦听、激光回馈调频连续波绝对测距、生化检测、pm量级灵敏度的激光干涉超精密测量技术(引力波专项)等研究。

日前从中国计量科学研究院获悉，由该院承担的国家“十一五”科技支撑项目“利用相关光子测量技术建立光电探测器量子效率测量装置的研究”近日通过专家验收。该项目自主研制的纠缠光子法探测器量子效率绝对定标装置，成功将我国光辐射功率计量的量程能力扩展到了光子水平，为用光子数重新定义国际基本单位之一的坎德拉(cd)量值复现研究奠定了重要基础。 　　该课题的研制成功，缩短了我国与发达国家之间在实现基于量子物理复现光辐射功率基准研究方面的差距 同时为研究量子信息、生物医学、天空探测器、天文物理、环境科学等领域中涉及的光子探测技术提供了光子水平的计量技术保障。 　　据该课题负责人、中国计量院光学所吕亮介绍，课题历时4年，在理论计算的基础上，确定了非线性晶体相位匹配参数，通过相位匹配条件推导出了纠缠光子对的波长及空间分布计算方法 解决了光路设计、光子探测、符合测量系统设计、符合宽度设定、偶然符合测量方法、暗计数测量方法等核心技术问题，在实际装置中实现了Type-I相位匹配相关光子场，并建立了基于相关光子的光电探测器量子效率测量装置，该装置的光电倍增管器件量子效率测量不确定度为0.7%，达到国际领先水平。 　　吕亮介绍，基于自发参量下转换相关光子方法标定光电探测器的方法，除了作为一种崭新的光辐射计量手段外，其本身更具有特殊的技术优势。一是传统上测量探测器量子效率乃至响应度的方法都是依靠标准灯或激光的准确量值来实现。而相关光子法不依赖于任何基标准器，其量值的传递过程，完全实现了无溯源定标。二是该装置可直接应用于生物发光、医疗仪器、激光远距离探测等领域的校准服务，为新技术领域研究提供高准确度的量子计量技术保障。三是研制该装置的相关光子法与量子密钥、可调谐激光等技术直接相关，是单光子源制备的技术基础。

诊断高能量密度(HED)等离子体的特性，例如存在于惯性约束聚变(ICF)中的等离子体，对于理解它们的演化和相互作用至关重要。然而，考虑到所涉及的通常极端的温度和密度条件，以及其中一些相互作用发生的小时间和空间尺度，获得这些测量结果是具有挑战性的。干涉测量法是目前等离子体最灵敏、最成功的诊断方法之一。然而，由于最常见的干涉测量系统的设计，工作波长有限，因此可以探测的密度和温度范围受到严重限制，难以测量对于可见光波段不透明的 HED 等离子体。基于 Talbot 效应的 Talbot-Lau 干涉法，提供了将干涉测量扩展到 X 射线波长的可能性。另一方面，在光子能量从几 keV 到几十 keV 的范围内的硬 X 射线，低 z 物质的弹性散射截面远大于衰减截面，相位对比度比传统的衰减度对比对电子密度的变化更敏感。因此，在成像机制上，基于折射的方法相较于基于吸收的方法有更高的固有对比度。即，基于相位变化的 X 射线成像方法，包括 Talbot-Lau 偏折测量方法，尤其适用于低 z 生物组织、聚合物、纤维复合材料和 HED 等离子体等的表征。约翰霍普金斯大学物理与天文学系的 M. P. Valdivia 与 D. Stutman 等人提出了将TL莫尔光束偏转技术扩展到8 keV 能量，用于 HED 等离子体实验中的密度梯度测量。[http://dx.doi.org/10.1063/1.4885467]该实验采用低能 TL 干涉仪装置采用焦斑为 ~ 15 μm FWHM 的铜阳极管作为 X 射线源。当在 22 kV 下工作时，该管产生 Kα 特征线主导的光谱，在 8 keV 处有一个强峰。同时使用了 30 μm 厚度的 Ni 滤波器，进一步提高特征线与轫致辐射之间的比率。对于微周期 Talbot-Lau 光栅的设计与制造工艺，对于高能量X射线（如20~100keV），难点在于得到高厚度/深宽比的光栅结构；对于低能 X 射线（如1. Microworks GmbH 提供的 Talbot-Lau 光栅：a)源光栅；b)相位光栅；c)分析光栅该小组使用多种形状（棱柱，圆柱，球型）的多种材料（丙烯酸，铍，PMMA）作为材料进行实验验证。其中，以 PMMA 球形样品的测试结果为例：2. 直径1.5mm的 PMMA 球的 Moiré 条纹像（a）及其偏移映射图（b）结果表明，在 8 keV 下的测量足够灵敏，可以测量几到几十微弧度范围内的折射角，从而提供 10-20 到 10-21 mm&minus 2范围内的面密度。在静态模式下论证得出该技术能够为 HED 相关物体提供密度诊断。上述小组进一步改进该实验，使用短脉冲(30–100 J, 10 ps)激光轰击 Cu 箔产生 X 射线作为测量光源，由于激光的脉冲特性，使得对 HED 的时间分辨测量成为了可能。(doi: 10.1063/1.5123919)3. 超短脉冲时间分辨 X 射线 Talbot-Lau 干涉实验前端光路示意图4. Talbot-Lau X 射线干涉法诊断平台波尔多大学的 G. P´ erez-Callejo 与 V. Bouffetier,对特定靶结构在激光作用下产生的 HED 瞬时密度进行了模拟和测量，并提供了相应的干涉图像的后处理工具。（DOI: 10.1063/5.0085822）5. 等离子体靶材结构设计示意图（左）；模拟轰击靶材后30ns 瞬时密度图像6. 瞬时状态下的干涉图像（a）与空光路参考图像(b)7. 经数据处理后的吸收像（a），暗场像（b）与相位像（c）相关阅读- Microworks光栅助力新冠病毒肺部诊断- 实验室X射线相衬成像技术—核心调制和探测器件技术分析（上）- 实验室X射线相衬成像技术—核心调制和探测器件技术分析（下）Microworks 德国 Microworks GmbH 基于其独特的 LIGA 技术，向广大科研用户提供定制化的微结构加工服务。其中，它的X射线透射光栅在相衬成像领域，有着极高的声誉。Microworks为X射线无损检测（NDT）提供标准化和定制产品。在微纳米技术领域，Microworks代表着高精度，其最高纵横比和精度可以远低于 1 µ m。北京众星联恒科技有限公司作为 Microworks 的中国大陆全权代理商，为中国用户提供所有的售前咨询，销售及售后服务，同时 TALINT EDU 干涉仪套件目前我们开放国内试用, 如果您想体验这款模块化、操作简易的 X 射线相衬、暗场成像套件, 欢迎联系我们。免责声明：此篇文章内容（含图片）部分来源于网络。文章引用部分版权及观点归原作者所有，北京众星联恒科技有限公司发布及转载目的在于传递更多行业资讯与网络分享。若您认为本文存在侵权之处，请联系我们，我们会在第一时间处理。如有任何疑问，欢迎您随时与我们联系。

以下文章来源于中国物理学会期刊网 ，作者陈耕 李传锋中国物理学会期刊网.中国物理学会期刊网(www.cpsjournals.cn)是我国最权威的物理学综合信息网站，有物理期刊集群、精品报告视频、热点专题网页、海内外新闻、学术讲座，会议展览培训、人物访谈等栏目，是为物理学习和工作者提供一站式信息服务的公众平台。|作者：陈耕1,2,† 李传锋1,2,††(1 中国科学技术大学 中国科学院量子信息重点实验室)(2 中国科学技术大学 合肥国家实验室)本文选自《物理》2023年第6期01理论背景不断提升测量精度是科学研究发展的一个源动力。科学技术发展到今天，很多里程碑式的进步都得益于测量精度的提升。一个众所周知的例子是2016年引力波的成功探测[1]，验证了爱因斯坦广义引对论的预言。然而从激光干涉引力波天文台(LIGO)建成到第一次探测到引力波整整花了17年时间，这是科学家们不断改进装置以提升探测精度的结果。最近科学家们在引力波探测中使用了量子压缩的光源，进一步提升了探测精度，使得现在几乎每周都可以观测到引力波。用新的原理方法、技术手段提高测量精度，本身就是自然科学研究的一个重要方向，我们称之为精密测量研究。科学界一般使用测量的不确定度Δ随所使用的测量资源N的下降速率来刻画一个测量系统的测量能力。经典方法能达到的极限是Δ随N的0.5次方成反比下降，也就是我们所称的标准量子极限(standard quantum limit)。需要注意的是，虽然名字中带有“量子”，但是这个下降速率是经典方法能达到的极限。如果能把测量中所有的技术噪声都压制到很低，从而使量子涨落成为主要噪声，就可以达到这个极限。但是在实际测量场景中，起主导作用的经常是各种技术噪声，这时放大信号提升信噪比是一个提升最终精度的有效途径。一个典型的方法是“弱测量”方法，它可以后选择(post-selection)出移动幅度最大的一小部分探针，从而将信号放大100倍甚至1000倍以上。中国科学技术大学研究团队使用了一种改进型的偏置弱测量方法，在放大信号的同时大幅降低了探测器的光电饱和效应，相比标准弱测量方法的探测精度又提升了一个数量级[2]。但是这种弱测量方法并不能超越标准量子极限，因为它本质上是经典光的干涉效应。02量子精密测量量子精密测量是最近十年来在量子信息研究中一个蓬勃发展的领域，旨在利用量子的方法和资源实现突破标准量子极限的测量精度。如前所述，引力波探测装置使用量子压缩光之后可以实现超过标准量子极限的测量精度，这充分证明了量子精密测量的可行性和重要性。那么一个对于量子力学本身的理解和实际测量精度都很重要的问题是：量子精密测量可以提供的精度极限在哪里？实际上对于这个问题，海森伯在1927年就给出了很好的答案，也就是海森伯不确定原理。它是量子力学的一个基本原理，根据这个原理给出的最高测量精度我们称之为海森伯极限：即测量的不确度Δ与N的1次方成反比下降。因此，量子精密测量的一个重要任务是发明新的方法和量子资源来逼近这个极限。光或原子的压缩态不可能达到这个极限，因为实际实验中压缩比总是有限的。一个原理上可以达到这个极限的方法是使用多体纠缠态，比如在量子信息中常使用的N00N态，它通常具有如下的形式：这个形式的物理理解为：N个粒子同时处于0状态，或者同时处于1状态，这两种可能性之间是量子相干叠加的。显然N个没有关联的个体不可能处于这样的状态，因为它们中每个都可能处于0或1态，造成总的状态有2N种可能。这样一种量子资源原则上可以实现海森伯极限的测量精度，但是一个现实的困难是，N很大的量子态很难确定性地产生。利用光子可以实现大约10个光子的纠缠，但是产生和探测效率都极低。即便可以确定性地产生和探测10光子纠缠，一个经典的激光脉冲可能含有1010以上的光子，即便取0.5次方的反比，不确定度也比10光子纠缠达到的1/10小4个数量级。因而现阶段使用N00N态进行精密测量只是原理上演示了一种潜在的优势，并不具有实际价值。2018年，来自于中国科学技术大学的研究团队发展了一种量子化的新型弱测量方法。这种方法用光子数的混态作为探针，以单光子的量子叠加性作为量子资源，实现了对单光子克尔效应反比于N的1次方的测量精度，反比系数约为6.2[3]。该工作的最好精度相当于使用N = 100000的N00N态可以达到的效果，并优于之前最好的经典方法[4]一个数量级。不久后，该团队又通过使用单光子投影测量代替混态探针，实现了逼近海森伯极限的测量精度，反比系数进一步降低到了1.2[5]。其最好精度相当于使用N = 1000000的N00N态可以达到的效果，并优于之前最好的经典方法[4]两个数量级。虽然是在一个特定的测量任务中进行的，但是这两个工作首次实现了在实际测量任务中达到海森伯极限并优于经典方法，充分展现了量子精密测量的优势。海森伯极限被学术界广泛认为是量子力学所允许的测量极限，是否有可能超越这个极限一直是学术上备受关注和存在争议的问题。2011年，Napolitano等人的一个工作声称超越了海森伯极限[6]，对光非线性系数测量达到反比于N的1.5次方的超海森伯极限。但是这个工作后来受到了广泛的置疑甚至是批评[7—9]，因为所使用的资源为光子通过原子团产生的经典非线性，其哈密顿量里已经含有了N的平方项。在以所使用的总能量作为规范化资源定义的前提下，这个工作甚至没有超过标准量子极限。03基于量子不定因果序的精密测量近些年来，一种新的量子结构，即量子不定因果序(indefinite causal order，ICO)引起了学术界极大的研究兴趣。量子力学显然允许一个粒子处于不同状态的量子叠加，比如光子可以处于不同偏振叠加态，原子可以处于不同能级的叠加态。事实上，量子力学还允许两个演化不同的时序之间的量子叠加，这点显然不同于经典世界的因果关系。在经典世界里，如果两个事情A和B之间存在关联，那么它们之间孰因孰果是确定的。如果A发生在B之前，那必然A是因B是果；反过来的话，就是B因A果。而在量子世界里，两个事件可以处于如图1所示的两个相反时序的量子叠加上，也就是说孰因孰果这个问题是不确定的。这样的系统状态可以表示为：图1 量子不定因果序的示意图。图中的薛定谔猫处在先过左边门后过右边门和先过右边门后过左边门这两种相反时序的量子叠加态这样一种新的量子结构已经被证明在各种量子信息过程中可以提供进一步的量子增强。比如降低量子计算问题中的复杂度，提升量子通信中通过信道的互信息量。尤其让大家感觉到意外的是，2020年香港大学的一个理论工作证明[10]，量子不确定因果序可以在精密测量中突破海森伯极限，达到前所未极的反比于N的2次方的超海森伯极限。这样一个理论突破考虑了由两组连续变量进行N次独立演化产生的几何相位A的测量，比如一个变量是坐标空间的本征值x，另外一个变量是动量空间的本征值p。传统确定因果序的方法在这样一个测量问题中最好的精度极限是海森伯极限，可以由如图2(a)所示的串行测量装置达到。如果把这样两组演化制备到两个相反时序的叠加上，如图2(b)所示，就可以获得一个随着N2A增加的总体相位，也就是获得了指数加速的能力，从而对几何相位的估计可以达到反比于N2的精度，也就是超海森伯极限。图2 (a)确定性因果序方法通过分别测量x的N 步演化和p 的N步演化来估计两种演化产生的几何相位；(b)两组演化可以制备到两种相反时序的量子叠加上，两种时序如图中的蓝色和橙色线路所示；(c)实验结果(黑色方点)证明量子不定因果序方法可以达到超海森伯极限精度(红线)，并优于确定因果序方法能达到的最好精度(蓝色虚线)这样一个结果在实验实现上遇到了很大的困难，因为它同时涉及到了离散变量和连续变量体系，并且需要将这两种体系纠缠起来，也就是利用离散的量子比特状态去控制两组连续变量的演化时序。量子信息方案中的离散变量体系无法实现连续变量的演化，而连续变量体系无法把两组演化制备到两个相反时序的量子叠加上。中国科学技术大学的团队通过构造一种全新的杂化(hybrid)装置实现了这样一个量子结构[11]，用光子的偏振状态来控制光子横向模式的位置和动量的演化。他们用特制的光学元件精准实现了这两个连续变量的多步微小演化，在一个接近1 m长的马赫—曾德尔(MZ)干涉仪的两臂上分别实现了两个时序相反的演化过程。实验结果对几何相位的测量精度可以达到如图2(c)所示的超海森伯极限，并且优于任意确定因果序方案能达到的最高精度。这个实验中所使用的探针是单个光子，所以每次测量所需要的能量与N无关。在以能量为规范定义的前提下，这是目前唯一可以达到1/N2超海堡极限的实验工作。这一点和以经典非线性作为资源的工作形成了鲜明对比。同时在这样一个测量任务中，两种时序所能达到的精度已经是最优的结果，用更多的时序并不能获得更好的测量精度。这使得用光子的二维偏振就可以控制不定因果序，而不需要更高维度的离散变量。特别值得强调的是，这样一个实验在演示的范围内已经实现了相对于传统方法的绝对优势，而不仅仅是一种潜在的优势。因为这个实验中N代表的是独立演化的次数，而不是量子态的规模。如N00N态精密测量所具有的潜在优势无法变成现实优势，就是因为现阶段量子态的规模无法做大。04总结和展望一个无法避免的情况是，关于海森伯极限是否是量子力学的最终极限的争议会一直持续下去，这主要是由学术界对测量资源定义的不统一所导致的。用量子不定因果序可以实现超海森伯极限的测量精度也必然会引起学术界的广泛讨论和争议。但是如果我们搁置这些争议，从一个更加现实的角度去考量这种新方法，它确实达到了比之前任何确定因果方法都要更好的测量精度，这种优势独立于海森伯极限该如何定义这样一个深刻的问题。当然另外一个值得思考的问题是，不确定度反比于N的2次方是不是测量精度的极限？是否有方法可以达到更高的极限，比如反比关系是N的3次方，4次方……这仍然是一个未解之谜。参考文献[1] Abbott B P et al. Phys. Rev. Lett.，2016，116：061102[2] Yin P et al. Light Sci. Appl.，2021，10：103[3] Chen G et al. Nature Communications，2018，9：1[4] Matsuda N et al. Nature Photonics，2008，3：95[5] Chen G et al. Phys. Rev. Lett.，2018，121：060506[6] Napolitano M et al. Nature，2011，471：486[7] Zwierz M et al. Physical Review A，2012，85：042112[8] Berry D W et al. Phys. Rev. Lett.，2012，86：053813[9] Hall M J et al. Physical Review X，2012，2：041006[10] Zhao X et al. Phys. Rev. Lett.，2020，124：190503[11] Yin P et al. Nature Physics，2023，https://doi.org/10.1038/s41567-023-02046-y

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

p span style=" font-family: 楷体, 楷体_GB2312, SimKai " 　　“中国科学十大进展”遴选活动由科技部高技术研究发展中心举办，截至2018年已举办13届。研究进展由《中国基础科学》《科技导报》《中国科学院院刊》《中国科学基金》和《科学通报》五家编辑部推荐，由两院院士、973计划顾问组和咨询组专家、973计划项目首席科学家、国家重点实验室主任等专家学者经过初选和终选两轮投票选出。该项活动旨在加强对我国重大基础研究进展的宣传，激励广大科技工作者的科学热情和奉献精神，促进公众更加理解、关心和支持科学，在全社会营造良好的科学氛围。该项活动已成为我国基础研究传播工作的一个品牌，在科技界产生了良好反响。 /span /p p 　 span style=" color: rgb(255, 0, 0) " 　 strong 1、实现星地千公里级量子纠缠和密钥分发及隐形传态 /strong /span /p p /p p style=" text-align: center" img src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201802/insimg/a1db44a6-b595-4d37-9ed0-38160c31bbed.jpg" title=" 1.jpg" / /p p style=" text-align: center " “墨子号”卫星实现千公里级量子纠缠分发 /p p 　　“墨子号”量子科学实验卫星由我国完全自主研制的世界上第一颗空间量子科学实验卫星，于2016年8月16日发射升空，2017年1月18日完成在轨测试，正式交付开展科学实验。 /p p 　　 strong 中国科学技术大学潘建伟和彭承志研究组联合中国科学院上海技术物理研究所王建宇研究组等， /strong 创新性地突破了包括天地双向高精度光跟瞄、空间高亮度量子纠缠源、抗强度涨落诱骗态量子光源以及空间长寿命低噪声单光子探测等多项国际领先的关键技术，利用“墨子号”在国际上率先实现了千公里级星地双向量子纠缠分发，并在此基础上实现空间尺度严格满足“爱因斯坦定域性条件”的量子力学非定域性检验 实现了千公里级星地量子密钥分发和地星量子隐形传态，密钥分发速率比地面同距离光纤量子通信水平提高了20个数量级，为构建覆盖全球的天地一体化量子保密通信网络提供了可靠的技术支撑，为我国在未来继续引领世界量子通信技术发展和空间尺度量子物理基本问题检验前沿研究奠定了坚实的科学与技术基础。 /p p 　　相关研究进展分别发表在2017年6月16日《科学》[Science, 356(6343):1140—1144]和2017年9月7日《自然》[Nature,549(7670):43—47]和[Nature, 549(7670):70—73] /p p 　　研究成果一经发表，随即引起了国际学术界和新闻媒体的广泛关注，同时也得到了国际学术界的高度评价，入选了Nature杂志点评的和美国著名科学媒体Science News评选的“2017年度重大科学事件”。 /p p 　　“墨子号”首席科学家潘建伟教授也入选了Nature杂志评选的“2017年度改变世界的十大科学人物”，被称之为“让量子通信驰骋于天地之间的物理学家”。 /p p 　　 span style=" color: rgb(255, 0, 0) " strong 2、将病毒直接转化为活疫苗及治疗性药物 /strong /span /p p span style=" color: rgb(255, 0, 0) " /span /p p style=" text-align: center" img src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201802/insimg/4ff3e13b-12c6-4b91-9f19-75fba3bf1c42.jpg" title=" 2.jpg" / /p p 　　流感、艾滋病和埃博拉出血热等烈性传染病时刻危害着人类的健康和社会稳定，其幕后“黑手”是结构和功能多样且快速变异的病毒，而疫苗是预防病毒感染的有效手段。 /p p 　　 strong 北京大学药学院周德敏、张礼和研究组 /strong 以流感病毒为模型，在保留病毒完整结构和感染力的情况下，仅突变病毒基因的一个三联遗传密码为终止密码，流感病毒就由致病性传染源变为预防性疫苗，再突变多个三联码为终止密码，病毒就变为治疗性药物。 /p p 　　此类疫苗的特点是保留了野生型病毒的全部抗原、感染活力和相同的感染途径，可以诱发人体产生强而广的体液免疫、鼻腔黏膜免疫以及T-细胞活化免疫应答，但感染人体后复制能力缺失。这种复制缺陷的活病毒疫苗在老鼠、雪貂和天竺鼠模型中得到验证，达到广谱、持久和高效的效果。该方法颠覆了传统灭活/减毒疫苗的理念，前者需改变病毒抗原结构去除其毒性，只能部分激发人体免疫力，所以需要多次接种。后者需要复杂的工艺处理方能保留病毒的完整结构，但仍具有弱的复制能力和潜在的致病性，安全隐患大。该方法将是研发活病毒疫苗的一种通用方法，并可针对几乎所有病毒。 /p p 　　相关研究进展发表在2016年12月2日《科学》[Science, 354(6316):1170—1173] /p p 　　该研究进展是我国长期支持基础研究、并鼓励基础研究进行临床转化的典型范例。Science评述该进展为病毒疫苗领域的革命性突破，Nature称其为“驯服病毒的新方法”。 /p p 　 span style=" color: rgb(255, 0, 0) " strong 　3、首次探测到双粲重子 /strong /span /p p span style=" color: rgb(255, 0, 0) " /span /p p style=" text-align: center" img src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201802/insimg/d8e148cb-bbbe-4da5-89b7-1723166178ce.jpg" title=" 3.jpg" / /p p style=" text-align: center " 由两个粲夸克和一个上夸克组成的双粲重子 /p p 　　欧洲核子研究中心于2017年7月6日宣布, 来自大型强子对撞机(LHC)上底夸克探测器(LHCb)国际合作组的科学家们发现了一种被称为双粲重子的新粒子，该粒子带有两个单位电荷，质量约3621兆电子伏特，几乎是质子质量的4倍。与质子和中子类似，新发现的双粲重子由三个夸克组成，但其夸克组分不同：质子由两个上夸克和一个下夸克组成，中子由两个下夸克和一个上夸克组成，而双粲重子则由两个较重的粲夸克和一个上夸克组成。理论预期双粲重子的内部结构迥异于之前发现的粒子，对其性质的研究将有助于人类深入理解物质的构成和强相互作用力的本质。 /p p 　　相关研究进展发表在2017年9月11日《物理评论快报》[Physical Review Letters, 119, 112001] /p p 　　底夸克探测器国际合作组由来自16个国家的超过1000名科学家组成， strong 清华大学、华中师范大学、中国科学院大学和武汉大学是合作组的成员单位。由清华大学高原宁领导的中国研究团队 /strong 通过与国内理论家密切合作，主导了此次双粲重子发现的物理分析工作，对该粒子的发现做出了关键性贡献。 /p p 　　欧洲核子研究中心对双粲重子的发现作了专门的新闻发布，受到全球媒体的竞相报道。审稿人评价：“该论文给出了期待已久的重要结果——首次观测到双粲重子。”美国《物理》杂志同时以“倍加迷人的粒子”为题进行了专论报道，认为该发现“为科研人员提供了检验量子色动力学的独特体系”。 /p p 　　 span style=" color: rgb(255, 0, 0) " strong 4、实验发现三重简并费米子 /strong /span /p p span style=" color: rgb(255, 0, 0) " /span /p p style=" text-align: center" img src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201802/insimg/a8203fe4-a847-4428-abd3-cfaaaed01ceb.jpg" title=" 4.jpg" / /p p style=" text-align: center " 三重简并费米子(右)与四重简并狄拉克费米子(左)和两重简并外尔费米子(中) /p p 　　组成宇宙的基本粒子可分为玻色子和费米子。现有的理论认为宇宙中只可能存在三种类型的费米子，即狄拉克费米子、外尔费米子和马约拉纳费米子，其中狄拉克费米子具有四重简并，外尔费米子和马约拉纳费米子具有两重简并，而三重简并的费米子在宇宙中是不存在的。这三种类型的费米子也能够以准粒子的形式存在于固体材料中，其中狄拉克费米子和外尔费米子的存在已在实验上得到确证，马约拉纳费米子也得到一些实验的支持。这些固体材料被通俗地称为“固体宇宙”，与真实的宇宙相对应。 /p p 　　与时空连续的宇宙空间不同，“固体宇宙”只满足不连续的分立空间对称性，这就可能出现真实宇宙中不存在的新型费米子。在“固体宇宙”中寻找新型费米子是近年来凝聚态物理领域一个挑战性的前沿科学问题，也是该领域国际竞争的焦点之一。 /p p 　　 strong 中国科学院物理研究所丁洪、钱天和石友国研究组 /strong 与合作者，在上海光源“梦之线”和瑞士光源上利用角分辨光电子能谱实验技术，在磷化钼晶体中观测到一类具有三重简并的费米子。这是首次实验发现超出传统的狄拉克/外尔/马约拉纳类型的费米子。他们的实验发现开辟了探索凝聚态体系中非传统费米子的途径，对促进人们认识量子物态、发现新奇物理现象、开发新型电子器件具有重要的意义。 /p p 　　相关研究进展发表在2017年6月29日《自然》[Nature, 546(7660):627—631] /p p 　　 span style=" color: rgb(255, 0, 0) " strong 5、实现氢气的低温制备和存储 /strong /span /p p span style=" color: rgb(255, 0, 0) " /span /p p style=" text-align: center" img src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201802/insimg/80fd3850-c851-4ed3-8b51-fcade6883f60.jpg" title=" 5.jpg" / /p p style=" text-align: center " 基于Pt/α-MoC催化剂实现水和甲醇低温液相重整反应产氢 /p p 　　氢能被誉为下一代二次清洁能源，但氢气的高效制备以及安全存储和运输一直以来是阻碍氢能源大规模应用的瓶颈。由于甲醇可以安全运输，将氢气存储于液体甲醇中，通过水和甲醇低温液相重整反应原位产氢，在释放出甲醇中存储的氢气的同时也活化等摩尔的水而释放出额外的氢气，就成为氢能利用的可行途径。这种过程装置简单、耗能低，容易和车载或固定聚合物电解质膜燃料电池整合，而释放出的氢气占重比可达18.8%。 /p p 　　 strong 北京大学化学与分子工程学院马丁研究组与中国科学院山西煤化研究所温晓东以及大连理工大学石川 /strong strong 等 /strong 合作的研究表明，将铂单原子分散在面心立方结构的碳化钼(α-MoC)上制备的催化剂可用于甲醇的液相重整，在较低温度下(150—190摄氏度)能够表现出很高的产氢活性，可达每摩尔铂每小时产氢18,046 摩尔。 /p p 　　这种优越的制氢能力远大于以前报道的低温甲醇重整催化剂(高出近两个数量级)，其关键在于α-MoC突出的解离水的能力以及铂和α-MoC协同活化并重整甲醇的能力。同时，该研究团队在在水煤气变换产氢过程(CO+H2O=CO2+H2)中也突破了低温条件下高反应转化率与高反应速率不能兼得的难题, 发展了基于Au/α-MoC的新一代催化过程。 /p p 　　相关研究进展分别发表在2017年4月6日《自然》[ Nature,544(7648):80—83]和2017年7月28日《科学》[Science, 357(6349):389—393] /p p 　　上述研究进展被多家科学媒体报道并高度评价，美国化学会C& amp E News杂志和英国皇家化学会Chemistry World杂志分别以“氢能源：制备氢燃料新过程”和“新型催化剂点亮氢能汽车未来”为题进行了亮点报道,认为“随着此高活性催化体系的成功，把氢气存储于甲醇并在需要时重整释放的概念可能得到实际应用，这是氢能储存和输运体系的一个重大突破”。 /p p span style=" color: rgb(255, 0, 0) " strong 　　6、研发出基于共格纳米析出强化的新一代超高强钢 /strong /span /p p span style=" color: rgb(255, 0, 0) " /span /p p style=" text-align: center" img src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201802/insimg/b057ab0a-f4f5-4134-9647-0859e2cb21ad.jpg" title=" 6.jpg" / /p p style=" text-align: center " 析出相结构及其高共格特性 /p p 　　超高强钢在航空航天、交通运输、先进核能以及国防装备等国民经济重要领域发挥支撑作用，而且也是未来轻型化结构设计和安全防护的关键材料。 /p p 　　然而几十年来高性能超高强钢的研究始终基于传统的半共格析出产生强共格畸变的学术思路，存在着析出相数量有限，析出尺寸不够合理且分布不均匀的固有缺陷，这既降低了材料的塑韧性又严重影响服役安全性。此外，昂贵的制备成本也限制了其实际应用，成为困扰高端钢铁工业发展的难题。 /p p 　　 strong 北京科技大学吕昭平研究组 /strong 与合作者针对低成本高性能的目标，创新性提出利用高密度共格纳米析出相来强韧化超高强合金的设计思想，采用轻质且便宜的铝元素替代马氏体时效钢中昂贵的钴和钛等元素，大幅降低成本的同时通过简单的热处理促进极高密度、全共格纳米相析出，研发出共格纳米析出强化的新一代超高强钢。他们通过调控晶格错配度使得析出相在产生极低共格畸变的同时又具有高的有序抗力，这极大增强了合金的强度但不牺牲其延展性能。所涉及的颠覆性合金设计思想也可应用于其它结构材料的研发。 /p p 　　相关研究进展发表在2017年4月27日在《自然》[ Nature, 544(7651):460—464] /p p 　　《自然· 材料》(Nature Materials)发表专门评述文章指出，该研究“以完美的超强马氏体钢设计思想，简化的合金元素及析出相强化本质，为研发具有优异的强度、塑性和成本相结合的结构材料提供了新的途径”。 /p p 　　 span style=" color: rgb(255, 0, 0) " strong 7、利用量子相变确定性制备出多粒子纠缠态 /strong /span /p p span style=" color: rgb(255, 0, 0) " /span /p p style=" text-align: center" img src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201802/insimg/15418047-e1c2-445f-8df3-62ea1be977d8.jpg" title=" 7.jpg" / /p p style=" text-align: center " 基于量子相变驱动的纠缠态生成 /p p 　　实现多粒子纠缠是量子物理实验研究的一大追求。 strong 清华大学物理系尤力和郑盟锟研究组 /strong ，通过调控铷-87原子玻色-爱因斯坦凝聚体中的自旋混合过程，使其连续发生两次量子相变，实现了包含约11000个原子的双数态的确定性制备。通过直接观测该纠缠态，他们表征其不同内态间原子数的差值的涨落低于经典极限10.7± 0.6分贝，其集体自旋的归一化长度为近似完美的0.99± 0.01。这两个指标反映该多体纠缠态可以提供超越标准量子极限约6分贝的相位测量灵敏度，以及至少910个的纠缠原子数——创造了目前能确定性制备的量子纠缠粒子数目的世界纪录。利用量子相变确定性制备多体纠缠态是一种崭新的尝试。由于连续量子相变点处有限系统的能隙很小，系统穿过相变点时会产生较大的激发。他们的研究显示即使这种激发会发生，量子相变点两边迥异的多体能级结构依然能够帮助制备出高品质的多粒子纠缠态。 /p p 　　这一全新的理解和纠缠态制备方法为未来其它多粒子纠缠态的制备提供了一种思路。另外，双数态的确定性制备为超越标准量子极限的测量科学与技术的实用化发展，比如实现海森堡极限精度的原子钟和原子干涉仪等提供了一种可能。 /p p 　　相关研究进展发表在2017年2月10日《科学》[Science, 355(6318):620—623] /p p 　　 span style=" color: rgb(255, 0, 0) " strong 8、中国发现新型古人类化石 /strong /span /p p span style=" color: rgb(255, 0, 0) " /span /p p style=" text-align: center" img src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201802/insimg/6aa5d301-d2fd-4f64-9974-4183a4c0543d.jpg" title=" 8.jpg" / /p p style=" text-align: center " 许昌人一号(右)和许昌人二号(左)头骨化石 /p p 　　长期以来，古人类学界对在中国境内发现的中更新世晚期至晚更新世早期过渡阶段古人类成员的演化地位一直存在争议。争论的焦点是：他们是由本地的古人类连续进化而来?还是外来人群的成功入侵者?最近在河南灵井遗址发现的两件距今10.5—12.5万年前的古人类——许昌人的头骨化石，为探讨这一阶段中国古人类的演化模式提供了重要信息。 /p p 　　中国科学院古脊椎动物与古人类研究所吴秀杰研究组与美国华盛顿大学Erik Trinkaus等合作的研究显示，许昌人颅骨既具有东亚古人类低矮的脑穹隆、扁平的颅中矢状面、最大颅宽的位置靠下的古老特征，同时又兼具欧亚大陆西部尼安德特人一样的枕骨(枕圆枕上凹/项部形态)和内耳迷路(半规管)形态，呈现出演化上的区域连续性和区域间种群交流的动态变化。此外，许昌人超大的脑量(1800 cc)和纤细化的脑颅结构，又体现出中更新世人类生物学特征演化的一般趋势。目前还无法将其归入任何已知的古人类成员之中，许昌人可能代表一种新型的古老型人类。 /p p 　　这项研究填补了古老型人类向早期现代人过渡阶段中国古人类演化上的空白，表明晚更新世早期中国境内可能并存有多种古人类成员，不同群体之间有杂交或者基因交流。许昌人化石为中国古人类演化的地区连续性以及与欧洲古人类之间的交流提供了一定程度的支持。 /p p 　　相关研究进展发表在2017年3月3日《科学》[Science, 355(6328): 969—972] /p p 　　该研究发现引起了国内外学术界和媒体的极大关注，Science、Current Biology等国际顶端学术期刊都为此发表专题评论，认为这项研究填补了古老型人类向早期现代人过渡阶段东亚地区古人类演化上的空白，是中国学者在古人类研究领域取得的一项重大突破。 /p p style=" text-align: center" img src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201802/insimg/4bf3322f-3884-4af8-aece-6e7b373d61b5.jpg" title=" 8-2.jpg" / /p p style=" text-align: center " 许昌人在现代人进化中的位置 /p p 　 span style=" color: rgb(255, 0, 0) " strong 　9、酵母长染色体的精准定制合成 /strong /span /p p span style=" color: rgb(255, 0, 0) " /span /p p style=" text-align: center" img src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201802/insimg/45aba8ad-3dd3-4bca-b349-150763da7ac8.jpg" title=" 9.jpg" / /p p style=" text-align: center" img src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201802/insimg/f40eaa33-e27b-4837-b989-7f9c2fb47502.jpg" title=" 9-2.jpg" / /p p style=" text-align: center " 酿酒酵母长染色体的精准定制合成 /p p 　　基因组设计合成是对基因组进行全新设计和从头构建，能够按需塑造生命，开启从非生命物质向生命物质转化的大门，推动生命科学研究由理解生命向创造生命延伸。然而，基因组合成面临长染色体难以精准合成、合成染色体导致细胞失活等难题。 /p p 　　 strong 天津大学元英进、清华大学戴俊彪、深圳华大基因杨焕明等团队 /strong 与合作者利用多级模块化和标准化人工基因组合成方法，基于一步法大片段组装技术和并行式染色体合成策略，实现了由小分子核苷酸到活体真核长染色体的定制合成，建立了基于多靶点片段共转化的基因组精确修复技术和DNA大片段重复的修复技术，成功设计构建了4条酿酒酵母长染色体，实现了真核长染色体合成序列与设计序列的完全匹配 原创性地建立了基因组缺陷靶点快速定位方法，提供了表型和基因型关联分析的新策略，通过缺陷靶点的定位与排除，解决了合成基因组导致细胞失活的难题 在此基础上，构建了人工环形染色体，为当前无法治疗的染色体成环疾病发生机理和潜在治疗手段建立了研究模型。该研究为深化理解生命进化、基因组与功能关系等基础科学问题提供了新的思路。 /p p 　　相关研究进展以4篇论文形式发表在2017年3月10日《科学》[Science, 355(6329): eaaf4704, eaaf4706, eaaf4791,eaaf3981] /p p 　　研究成果引起国内外专家和媒体的极大关注。Science同期发表专文评论，Nature、Nature Biotechnology、Nature Reviews Genetics、Molecular Cell等多个顶级期刊均发表专文或亮点介绍，高度评价本工作，认为这是第一个全合成真核生物基因组的重要里程碑。 /p p 　　 span style=" color: rgb(255, 0, 0) " strong 10、研制出可实现自由状态脑成像的微型显微成像系统 /strong /span /p p span style=" color: rgb(255, 0, 0) " /span /p p style=" text-align: center" img src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201802/insimg/d84e2818-f49a-4283-89a7-981e03e957e9.jpg" title=" 10.jpg" / /p p style=" text-align: center " 质量仅为2.2克的可佩戴式双光子荧光显微镜 /p p 　　北京大学生物膜与膜生物工程国家重点实验室程和平及陈良怡研究组与电子工程与计算机科学学院张云峰和王爱民等合作，运用微集成、微光学、超快光纤激光和半导体光电子学等技术，在高时空分辨在体成像系统研制方面取得突破性技术革新，成功研制出2.2克微型化佩戴式双光子荧光显微镜，在国际上首次记录了悬尾、跳台、社交等自然行为条件下，小鼠大脑神经元和神经突触活动的高速高分辨图像。 /p p 　　此项突破性技术将开拓新的研究范式，在动物自然行为条件下，实现对神经突触、神经元、神经网络、多脑区等多尺度、多层次动态信息处理的长时程观察，这样不仅可以“看得见”大脑学习、记忆、决策、思维的过程，还将为可视化研究自闭症、阿尔茨海默病、癫痫等脑疾病的神经机制发挥重要作用。 /p p 　　相关研究进展发表在2017年7月《自然· 方法学》[Nature Methods, 14(7):713—719] /p p 　　该成像系统被2014年诺贝尔生理学或医学奖得主Edvard I. Moser称之为研究大脑的空间定位神经系统的革命性新工具。 /p p style=" text-align: center" img src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201802/insimg/bbf63637-d6a8-4b23-9a44-ff7998374428.jpg" title=" 10-2.jpg" / /p p style=" text-align: center " 可高时空分辨记录神经元的突出活动 /p p br/ /p

罗切斯特大学研究人员共同开发的1平方毫米的集成光子芯片将使干涉仪精度更高。图片来源：罗切斯特大学/ J. Adam Fenster从镜子上的微小缺陷，到大气中污染物的扩散，再到宇宙深处的引力波，通过合并两个或多个光源，干涉仪产生的干涉图样可以提供一切事物的详细信息。“想要进行非常精确的测量，光学干涉仪必不可少，因为光可以成为非常精确的‘尺子’。”美国罗切斯特大学光学助理教授Jaime Cardenas说。现在，Cardenas的实验室发明了一种方法，使这种光学机器更加灵敏。罗切斯特大学博士生宋美廷（音译）首次在1平方毫米的集成光子芯片上验证了一种实验方法，可以在不增加无关且不必要的输入或“噪声”的情况下放大干涉信号。近日发表在《自然—通讯》的这一突破，基于该校物理学教授Andrew Jordan和实验室学生开发的波导弱值放大理论。Jordan和团队研究弱值放大已有十多年。他们以一种新颖的方式将模态分析应用于具有弱值放大功能的自由空间干涉仪上，弥补了自由空间与波导弱值放大之间的差距，并由此证明了在光子芯片上集成弱值放大的理论可行性。弱值放大是基于光的量子力学，基本上只涉及包含所需信息的特定光子导向探测器。Cardenas说，这个概念曾被演示过，但“总是要在实验室里放置一张桌子、一堆镜子和激光系统，这些物件排列起来非常耗时和辛苦”。“我们将所有这些物质提炼出来，放入光子芯片中。通过把干涉仪装在芯片上，你可以把它放在火箭、直升机，或者手机上。放在哪里它都不会偏移。”Cardenas说。与传统的干涉仪不同，新装置没有使用一组倾斜的镜子来弯曲光线并产生干涉图样，而是使用了一个设计好的波导来传播光场的波。Cardenas说，这是该研究的新颖之处。在传统干涉仪中，只要简单地提高激光功率，就可以提高信噪比，从而产生更有意义的输入。但Cardenas说，这实际上是有限制的，因为传统的干涉仪探测器只能处理有限的激光功率，在达到饱和前，信号噪声比并不能提高。新装置通过在探测器上以更少的光达到相同的干涉仪信号，消除了这一限制，这为通过继续增加激光功率从而增加信噪比留下了空间。“如果以传统干涉仪相同的功率到达新弱值，新设备总是会有更好的信噪比。”Cardenas说，“这项工作真的很酷，有很多非常棒的物理和工程应用在后台进行。”他表示，下一步将把该设备用于相干通信和使用压缩或纠缠光子的量子应用，使量子陀螺仪等设备成为可能。相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41467-021-26522-2

激光干涉技术主要应用光波的空间相干特性。具体而言，对于两束光波或电磁波等横波，当波长相等、且相位差为2π整数倍时，合成波的振幅叠加增强至最大；当相位差为π奇数倍时，合成波的振幅抵消减小至最小。早在十九世纪下半叶，科学家们就已发明了多种原理干涉结构装置用于科学研究，其中最著名的是迈克尔逊-莫雷干涉试验，该实验采用钠光源平均谱线近似单色光进行干涉测量，从而否定了“以太”的假说。图1 迈克尔逊-莫雷干涉试验激光干涉仪的构成真正促进干涉技术巨大进步的契机是1960年激光器的发明。激光由于具有极窄的谱线，因而具有非常优秀的空间相干性。目前激光干涉仪主要的用途包括精准的尺寸和移动距离测量，测量准确度最高可以达到纳米甚至亚纳米量级。在构成上激光干涉仪最常使用的波长为632.8 nm，对于经典的迈克尔逊干涉测量原理，由激光器中出射的单色激光经过50:50半透半反的分束镜后分为2束光束，其中一束经过固定的光程后被反射镜反射，称为参考光束；另外一束光束由于存在被测对象，被反射镜反射后光程发生改变(距离或折射率变化引起)，称为测量光束。当两束光被反射后在分束镜第二次合成并随后照射探测器上被接收后，将产生干涉条纹的移动。由之前的光波的叠加性可知，假设测量光路距离变化为316.4 nm，当只存在一去程一回程的情况下，此时干涉条纹相位变化2π。目前商用激光干涉仪普遍采用两去程两回程，同时采用1024倍电子细分卡，因此分辨率可达0.16 nm。图2 激光干涉仪原理构造激光干涉仪的应用现状1. 在工业领域应用随着理论研究的深入和技术的不断进步，激光干涉测量技术目前精彩纷呈，在多个领域中都得到了非常广泛的应用。 包括单频激光干涉仪、双频激光干涉仪、激光平面干涉仪、法布里-珀罗干涉仪、皮米激光干涉仪、多波长干涉测距等。 单频和双频激光干涉仪。测量具有非接触和无损检测的特点，能够在线测量长度、角度和转速等参数，因此已成为各国精密数控机床在线定位精度测量的最主要标准之一。在精密加工过程中，位置精度是机床的重要指标，激光干涉仪通过在线位置测量、实时数据处理实现机床误差修正。另外在集成电路制造中，激光干涉仪也是光刻机在线位移测量的核心部件。图3 激光干涉仪在精密机床中的应用激光平面干涉仪。激光干涉仪不仅可以用于测量长度、角度以及位移，也可以测量物体的表面形貌。测量基本原理为激光菲索(Fizeau)干涉，激光经过扩束后先后经过参考平面和待测平面，两个平面的反射光发生干涉后产生干涉条纹，通过成像系统接收。分析条纹形状即可判断是否存在缺陷。图4 激光平面干涉仪皮米激光干涉仪。现在随着微纳测量分辨率要求的进一步提高，出现了商品化的皮米激光干涉仪。皮米激光干涉仪采用包覆光纤作为激光传输介质，有效减小了空气折射率扰动对测量的影响；同时在干涉方式上干涉仪采用法布里-珀罗(F-P)干涉仪原理，是一种多倍程干涉，进一步提高了分辨率。 图5 皮米激光干涉仪多波长干涉绝对测距。采用单波长干涉测距虽然分辨率可达到纳米级，但是单波长干涉测距是相对测量，且测量时光路不能中断，而多波长干涉能很好解决这个问题。因为在干涉测距中波长就像一把量尺，但如果测量距离大于这把量尺，则需要多次拼接测量。多波长干涉能形成很长的等效波长，使量尺范围大于被测距离，实现绝对距离测量。图6 多波长干涉绝对测距光相控阵雷达。随着自动驾驶技术的高速发展，现在激光干涉技术也应用在光相控阵(OPA)激光雷达(LiDAR)中。激光雷达会产生一系列密集超短激光脉冲扫描周围物体，通过脉冲返回时长差判断距离和轮廓。光相控阵雷达利用光栅干涉原理，可以通过改变不同狭缝中入射光线的相位差来改变光栅后中央条纹(主瓣)位置，从而控制激光雷达光束的指向和转向。 图7 激光干涉技术在光相控阵雷达中的应用2. 在科学研究方面应用激光干涉引力波天文台(LIGO)。LIGO用于验证广义相对论预言的引力场扰动产生的时空扭曲。它本质上是一个超大型迈克尔逊干涉仪，由2条4千米长的互相垂直的臂构成，同时光线还会在臂内折返300次。当引力波会产生空间弯曲，干涉结果也会轻微变化。2017年美国科学家借助LIGO观测到双中子星合并引力波事件并获得了诺贝尔物理学奖。图8 激光干涉引力波天文台(LIGO)激光全息干涉测量技术。利用非共面多光束干涉可以在空间形成二维或三维周期性强度分布，从而被用来制作二维或三维光子晶体；利用全息干涉技术可用于位移及形变测量、应变与应力分析、缺陷或损伤探测、振动模式可视化及测量、晶体和蛋白质生长过程监测、流体中密度场和热对流场的观察与测量。图9 激光全息干涉测量技术作者：中国计量科学研究院副研究员 李琪

来自德国和瑞士的一个研究团队首次在电子显微镜中以可控方式成功创建了电子—光子对。这一发表在《科学》杂志上的新方法，可同时生成两个成对的粒子，且能够精确地检测到所涉及的粒子。该研究结果扩展了量子技术的工具箱。 世界各地的科学家都在尝试将基础研究的成果应用到量子技术中。为此，通常需要具有定制特性的单个粒子。 德国马克斯普朗克研究所（MPI）、哥廷根大学和瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）的国际团队成功地在电子显微镜中耦合单个自由电子和光子。在哥廷根大学的实验中，来自电子显微镜的光束穿过由瑞士团队制造的集成光学芯片。该芯片由一个光纤耦合器和一个环形谐振器组成，该谐振器通过将移动的光子保持在圆形路径上来存储光。 MPI科学家阿明菲斯特解释说，当一个电子在最初的空谐振器上散射时，就会产生一个光子。在这个过程中，电子损失的能量正好是光子在谐振器中从无到有创造出来所需的能量。结果，这两个粒子通过它们的相互作用耦合成一对。通过改进测量方法，物理学家可精确地检测所涉及的单个粒子及其表现。 研究人员强调，使用电子—光子对，只需要测量一个粒子即可获得有关第二个粒子的能量和时间的信息，这使得研究人员可在实验中使用一个量子粒子，同时通过检测另一个粒子来确认它的存在。这对于量子技术的许多应用来说都十分必要。 研究人员将电子—光子对视为量子研究的新机遇。该方法为电子显微镜开辟了吸引人的新用途。在量子光学领域，纠缠光子对已经改善了成像。通过该项工作，可用电子来探索这些概念。研究人员称，这是第一次将自由电子纳入了量子信息科学的工具箱。更广泛地说，使用集成光子耦合自由电子和光，可为新型混合量子技术开辟道路。

自2019年5月20日起，新的国际单位制正式实施，其中质量的单位千克启用了基于普朗克常数的新定义。能量天平是我国自主的千克新定义复现方案，该方案由中国计量科学研究院张钟华院士提出。能量天平利用电磁力做功与电磁场能量变化之间的转换与平衡，建立普朗克常数与被测砝码质量之间的桥梁。图1 能量天平结构示意图与测量原理电磁力做功量的测量涉及电磁力大小的测量和线圈相对位移测量两方面。因此，悬挂线圈与激励磁体的相对位移测量系统至关重要。它不仅实现了能量天平对于“米”的量子化基准的溯源，而且在保证能量天平积分区间的一致性上也发挥了关键作用。能量天平采用外差激光干涉测量系统对悬挂线圈与激励磁体的相对位移进行测量（图2），但该干涉测量系统存在较大的光学闲区（图3），进而影响了能量天平在空气环境中运行时位移测量的准确性。图2 能量天平激光干涉测量系统图3 能量天平光学闲区示意图近日，发表于《计量科学与技术-中国计量科学研究院专刊（2022）》的文章“能量天平激光干涉测量系统闲区长度测量方法研究”，对能量天平干涉测量系统中闲区长度测量方法进行了分析与讨论。主要成果（1）提出了基于真空/空气环境光程差测量的光学闲区长度测量方法。该方法利用能量天平的真空系统改变光学闲区的空气折射率；利用激光干涉系统测量折射率改变过程中的光程变化，进而测得光学闲区的长度，将原毫米量级的闲区长度测量不确定度抑制至4 μm，大大提高了光学闲区长度的测量能力。（2）利用光学闲区长度表征的绝对距离，实现了对能量天平激励磁体与悬挂线圈间相对零位的测量，以保证悬挂线圈系统位于磁体的均匀区范围。该相对零位的标准测量不确定度达到了54.2 μm。此项研究得到了国家自然科学基金青年基金项目(51805507)的支持。能量天平科研团队简介重新定义千克曾被《Nature》列为世界性的科研难题。张钟华院士向这一科研难题发起了挑战，提出了基于全静态测量的能量天平方案，该方案被《Metrologia》列为国际三种千克量子化定义与复现方法之一。目前，能量天平由李正坤研究员带领的年轻团队接力攻关。该团队连续攻克了高匀场激励磁体设计、准静态磁链差测量、外磁屏蔽方法优化、真空超精密几何量测量、能量天平准直误差理论与技术、超高直线度重载驱动方法与装置等一系列科研难题，建立了第二代能量天平装置NIM-2，其实物图如图5所示。该装置于2019~2020年间，代表中国参加了千克新定义后的首次千克复现方法国际关键比对（CCM.M-K8.2019）。经国际计量局对各国的数据综合评定，能量天平的测量结果与比对参考值（KCRV）的相对偏差为1.17E-8，相对标准不确定度为4.49E-8，比对结果如图6所示。该测量数据已成功用于首个国际质量共识值（the Consensus Value）的评定，进而用于SI新定义后全球质量量值传递。能量天平的研究工作，为建立我国自主的质量量子化基准装置提供了重要的技术支撑。图5 能量天平装置实物图图6 首次千克复现方法国际关键比对（CCM.M-K8.2019）比对结果

阿美特克(纽约证券交易所代码:AME)旗下Zygo公司宣布发布其最新的激光干涉仪Qualifire™。Qualifier加入了一系列高端干涉仪解决方案，该仪器旨在支持半导体、光刻、星载成像系统、尖端消费电子产品、国防等行业中最苛刻的计量应用。Qualifire将于1月30日在加州旧金山的SPIE Photonics West首次亮相。这款干涉仪在不牺牲性能的情况下，将显著的增强功能集成到一个更轻的小型封装中。Zygo 激光干涉仪产品经理 Erin McDonnell 表示：“我们很高兴将 Qualifire 推向市场，其改进的人体工程学设计使其易于使用，并且比 Zygo 的许多其他激光干涉仪更便携。使用激光干涉仪进行的测量往往对噪声、污染物和其他伪影敏感，因为该仪器能够提供纳米级精度；Qualifire上的可选模块飞点可主动减少甚至消除这些伪影，从而提高测量的可靠性和可重复性。飞点结合了Zygo最好的两种伪影减少技术：环纹和相干伪影减少。飞点在需要高精度的应用中尤其有价值，包括科学研究和先进的制造工艺。Qualifire为Zygo的激光干涉仪产品线带来这些功能和改进：Qualire激光干涉仪提供了许多新颖的新功能。智能附件接口——干涉仪可以识别任何安装的“智能附件”，并自动应用系统错误文件并执行横向校准。体积小、重量轻——最小的 Qualifire 型号重约 45 磅（20.4 千克）。 它是真正的便携式，特别是对于干涉仪必须经常移动或调整的复杂和精密应用。移相器（PMR）——PMR 是调制测试部件和参考光学器件之间干涉条纹所必需的，最终可创建定量表面图。其整体设计提供：整体机械稳定性和对准降低损坏或错位的风险确保性能一致，减少重新校准的需要改进的用户体验——方便使用的电源按钮和运动安装支脚使设置更易于使用。大型控制旋钮可实现更精确的调整，这对校准和校准都至关重要。 集成手柄确保安全可靠的操作。更易于维护—— 密封的光学系统和整合的电子元件使更换各种组件变得简单，而不会使光学元件暴露在污染物中。飞点——用于减少伪影的可选模块，包括自动对焦功能。稳定变焦——提供新变焦方法的选项，可在所有放大倍率下实现完美的图像配准和衍射限制图像采样。计量集团副总裁Kurt Redlitz 表示：“Qualifire 保持了 Zygo 在计量方面的高标准，同时提供了最高水平的精度并优化了用户体验。通过改进的人体工程学设计，它可以在不牺牲性能的情况下提高操作效率和部署灵活性。Qualifire 是一款更强大、更可靠、用户友好的仪器，可随时应付最苛刻的应用和环境——精度不容置疑。

近日，华南师范大学物理与电信工程学院/广东省量子调控工程与材料重点实验室副研究员朱起忠与香港大学博士翟大伟、教授姚望合作，在单层过渡金属硫化物的激子特性方面取得重要研究进展。他们在理论上提出了基于层内激子产生偏振与轨道角动量锁定的单光子源及其阵列的方案。相关研究发表于国际权威学术期刊Nano Letters。　　单光子源在量子信息和量子通讯中具有重要的应用价值。近些年来，研究人员发现单层过渡金属硫化物（TMD）中的激子可以作为很好的单光子源，具有高度的可集成性和可调控性，并且莫尔周期外势中的激子普遍被认为可以实现单光子源阵列。这引起了研究人员的广泛兴趣和大量研究。　　然而，目前研究的基于TMD的单光子源发出的光子只有偏振自由度，而我们知道光子除了偏振自由度外还有轨道角动量自由度。能否利用TMD中的激子来产生携带轨道角动量以及偏振和轨道角动量纠缠的光子呢？如果可以做到，这将在充分利用TMD中单光子源的优势的基础上提供一个新的产生内部自由度纠缠的单光子源，预期将在领域内引起广泛的兴趣。　　最新研究中，研究人员在考虑TMD层内激子的能谷轨道耦合的基础上，发现通过利用将TMD铺在各项同性的纳米泡上产生的各向同性的应力束缚势，应力外势中的激子本征态具有能谷和轨道角动量纠缠的特性。利用光与激子的耦合理论，他们进一步证明了这样得到的能谷和轨道角动量纠缠的激子可以被携带轨道角动量的光子激发，也可以通过激子复合发出偏振和轨道角动量纠缠的单光子。　　研究组又进一步提出，基于转角氮化硼衬底产生的大周期莫尔外势，TMD中的带电激子在此基础上可以形成发出偏振和轨道角动量纠缠的单光子源的阵列。　　该研究工作提出了基于TMD中的激子产生偏振和轨道角动量纠缠的单光子源及其阵列的一种新方案，对基于TMD的单光子源研究起到了推动作用，具有潜在的应用前景。　　上述研究得到了国家自然科学基金和广东省自然科学基金的支持。华南师范大学硕士研究生张迪为该论文第一作者，朱起忠为通讯作者，华南师范大学为第一单位。

双频激光干涉仪是先进制造业、半导体芯片制造等行业不可或缺的纳米精度的尺子，应用广泛。张书练教授团队（先清华大学精密测试技术及仪器国家重点实验室，后镭测科技有限公司），以解决双频激光干涉仪关键技术为线，经近40年坚韧攀登，研究完成了“可伐-玻璃组装式单频氦氖激光器→双折射双频激光器→双折射双频激光干涉仪”的全链条技术，并批产。该技术开国内可伐-玻璃组装式氦氖激光器之先，吹制工艺或成历史。开国内外应力激光腔镜产生双频激光之先，解大频差和高功率不可得兼之难，频率差可以在1～40 MHZ范围选择而功率大于1 mW。双折射双频激光干涉仪测量70 m长度误差小于5 μm，非线性误差小于1 nm，测量速度高于3 m。1 研究背景激光干涉仪是当今纳米时代的长度基准，也是先进制造业（机床、光刻机，航空、航天等）制造的精度保证。制造精度和生产效率越来越高，对激光干涉仪的测量精度和测量速度提出了更高的要求。激光干涉仪的“激光”是（HeNe）氦氖激光器，至今无可替代。传统HeNe双频激光干涉仪存两个难点，成为瓶颈：1）国内外，我们之前，双频激光器靠塞曼效应产生两个频率，频率之差小（在3 ~ 5 MHz之间），频差越大激光功率越小，不能满足光刻机等应用的更大频率差要求（如10、20、40 MHz），频率差大，测量速度高，效率高；2）不论是单频还是双频激光干涉仪，国产还是外购，各型号都有几纳米甚至十几纳米的非线性误差，一直没有找到解决办法。通常，在单频激光器的光增益路径上加磁场后（塞曼效应）就变成双频激光器。可是，相当长的期间，购买到的大部分单频激光器因为常出现跳模，用于单频激光干涉仪时淘汰率很高，此外，加上磁场后单频并不呈现双频，双频激光干涉仪难有好的光源。经近40年坚持，研究打通了单频氦氖激光器→双折射双频激光器→双频激光干涉仪的全技术链条，批产，获得了广泛应用和认可。2 双折射双频激光器及干涉仪的关键和全链条技术2.1 双折射双频激光器置晶体石英片（图1a中的Q双面增透）或有内应力的玻璃元件(图1b中的M2右表面镀反射膜）于激光器谐振腔内，这些元件的双折射使激光频率分裂，一个频率分裂成两个频率，两个频率的偏振方向互相垂直（正交偏振）。反复实验证明，激光器可输出频率差大于但不能小于40 MHz两个频率。如果频率差稍大于40 MHz，在改变（调谐）激光频率谐振腔长（即用压电陶瓷1纳米一步“距”的推动M2改变激光谐振腔长）过程中看到的是一个频率振荡会陡然变成两个频率振荡，而前者功率陡然下降一半，刚升起的频率则获得同样的功率。继续调谐腔长，最早振荡的频率会陡然消失，而后起振的频率功率升高到最大。如果频率差小于40 MHz，两频率则有你无我。图2示出了频率差20 MHz时o光和e光的光强度此长彼消得过程。理论和实验一致。图1 激光频率分裂原理图。（a）晶体石英片Q于激光谐振腔内，（b）激光输出镜为M2右表面，对M2加力使激光反射镜内产生应力图2 频差20 MHz时的强烈模竞争。激光强度随腔长调谐（改变）的实验曲线。理论和实验一致图3给出了两个频率的频率差多大时，在频率轴上两个频率的共存区的宽度，也即两个频率差大小对应的共存频域宽度。曲线最左侧可见，在约40 MHz时，共存宽度迅速下降趋于0 Hz，也即小于40 MHz时，两频率之一熄灭，频率差消失。图3 实验测得的两个频率共存的频域宽度和激光频率差的关系2.2 双折射-塞曼双频激光器塞曼双频激光器的频率差一般在5 MHz以下，功率随频率差增大而减小，7 MHz时的激光功率仅0.2 mW以下。作者团队研发的双折射双频激光器频率差大于40 MHz，研制成的双折射-塞曼双频激光器可以输出百KHz到几十MHz的频率差，而功率不因频率差增大而改变，可以达到1.5 mW。双折射-塞曼双频激光器包括两项关键技术，先由双折射造成激光器频率分裂，决定了激光器输出为两个偏振正交频率以及它们的间隔（频率差）的大小。再因激光器上加了横向磁场，横向塞曼效应使增益原子分成两群——π群和σ群。π群和σ群光子的偏振对应双折射互相垂直的主方向，也即正交偏振的光“各吃各粮”，它们之间的相互竞争不存在了，无论频率差大小都能振荡。频率差可以是3、5、7、10、20、40 MHz或更大。2.3 内雕应力双折射-塞曼双频激光器提出了“内雕应力”的概念和产生双频的原理，即用窄脉冲激光器对激光腔镜表面或基片内部造孔（或穴），造成激光腔镜内的应力精确改变（图4所示），“雕刻”提高了频率差的控制精度。“内雕应力”双折射双频激光器不仅用于国产双频激光干涉仪，也用于运行中的光刻机的激光器替换。同时，提供了科研单位的科学研究。该激光器替换正在服役的光刻机的原有激光器，使光刻机机台误差由24 nm下降到6 nm。图4 内雕应力双折射-塞曼双频激光器。M2内部雕刻出的孔造成激光器的双频，磁条PMF1和PMF2消除激光器强模竞争2.4 可伐-玻璃组装式（无吹制）双频激光器国内，研制生产HeNe激光器历史很长，但我国一直靠吹制工艺制造氦氖激光器，而且不能制造可伐-玻璃组装式氦氖激光器。北京镭测科技有限公司研制成可伐-玻璃组装式单频氦氖激光器，功率大于1 mW，满足单频和双频激光器的需求。同时，这一技术将使整个国产氦氖激光器告别吹制，进入一个新的技术高度（如图5所示）。图5 可伐-玻璃组装内雕应力双频激光器（镭测科技提供）2.5 研制成的双频激光干涉仪技术指标作者强调的是，我们有了可伐-玻璃组装式激光器和双折射（内应力）-塞曼双频激光器，双频激光干涉仪有了强力的“心脏”，有了自主可控的基础。团队又全面设计干涉仪的光、机、电、算。时至今日，可伐-玻璃组装式双折射（-塞曼）双频激光器（非吹制）和干涉仪已批量生产，正在满足科学研究和产业的需求。中国计量科学院对双折射-塞曼双频激光干涉仪的测试结果：频率稳定度为10-8，分辨力为1 nm，非线性误差小于1 nm（图6所示），12小时漂移35 nm（图7所示）,70 m长度测量误差小于5 μm。这些数据来自中国计量科学院测试证书：CDjx 2014-2352, CDjx 2018-4810, CDjx 2020-04463等。图6 双频激光干涉仪非线性误差图7 双折射-塞曼双频激光干涉仪12小时零点漂移3 展望在实现“可伐-玻璃组装式激光器”→“内雕应力双折射-塞曼双频激光器”→“双折射-塞曼双频激光干涉仪”全链条技术基础上，进一步发展各种规格的可伐-玻璃组装式激光器，以开拓双折射-塞曼双频激光干涉仪的应用深度和应用范围。