業(yè)界動態(tài)

2015年度國家科學(xué)技術(shù)獎揭曉"多光子糾纏及干涉度量"獲國家自然科學(xué)獎一等獎

1月8日，2015年度國家科學(xué)技術(shù)獎勵大會在人民大會堂召開，共評出國家自然科學(xué)獎42項，國家技術(shù)發(fā)明獎66項，國家科學(xué)技術(shù)進步獎187項，中華人民共和國國際科學(xué)技術(shù)合作獎7人。

自然科學(xué)獎為中國自然科學(xué)領(lǐng)域的最高獎，旨在獎勵在基礎(chǔ)研究和應(yīng)用基礎(chǔ)研究領(lǐng)域，闡明自然現(xiàn)象、特征和規(guī)律，做出重大科學(xué)貢獻的中國公民。此前，華羅庚、吳文俊、錢學(xué)森等均曾獲此殊榮。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉團隊在廣域量子通信和光學(xué)量子信息處理等領(lǐng)域取得了一系列具有重要國際影響的原始創(chuàng)新成果，為我國在新興的量子信息產(chǎn)業(yè)搶占先機、成為領(lǐng)跑者奠定科學(xué)基礎(chǔ)，由此獲得國家自然科學(xué)獎一等獎。

量子信息科學(xué)是上世紀(jì)九十年代以來國際上最活躍的前沿研究領(lǐng)域之一，量子信息的物理研究和技術(shù)實現(xiàn)將人類利用量子力學(xué)認(rèn)識和改造世界的實踐帶到了一個新的歷史高度，并對國家信息安全和戰(zhàn)略性信息產(chǎn)業(yè)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響，同時量子調(diào)控技術(shù)還可用以實現(xiàn)高精度的精密測量手段，將應(yīng)用于自主導(dǎo)航、醫(yī)學(xué)檢驗、物理學(xué)基本常數(shù)測定、引力波探測等領(lǐng)域。

多粒子糾纏的相干操縱是發(fā)展實用化量子信息技術(shù)的必備條件。以潘建偉團隊為代表的中國科學(xué)家在國際上引領(lǐng)和推動了多光子糾纏干涉量度學(xué)的發(fā)展，取得了廣域量子通信和光學(xué)量子信息處理等領(lǐng)域的系統(tǒng)性關(guān)鍵突破，并在此基礎(chǔ)上將量子保密通信技術(shù)帶入現(xiàn)實應(yīng)用，贏得國際學(xué)術(shù)界廣泛認(rèn)可。

潘建偉團隊的重要成就包括：

系統(tǒng)性地發(fā)展了多光子糾纏和干涉技術(shù)，并用于量子力學(xué)基礎(chǔ)檢驗。在國際上首次實驗制備和嚴(yán)格驗證具有多體純糾纏的多光子糾纏態(tài)。2004年，實現(xiàn)對五光子糾纏的操縱，為當(dāng)時世界上所有物理系統(tǒng)項目組的的最多糾纏粒子數(shù)目，首次達(dá)到量子糾錯必需的比特數(shù)目。在隨后的2007、2010和2012年，項目組三次打破并刷新自己的記錄，率先實現(xiàn)六光子糾纏、五光子十比特超糾纏和八光子糾纏，并保持紀(jì)錄至今。

利用多光子操縱率先實現(xiàn)量子信息處理關(guān)鍵技術(shù)和重要算法。首次實現(xiàn)終端開放量子隱形傳態(tài)、兩粒子復(fù)合態(tài)量子隱形傳態(tài)和量子遠(yuǎn)程克隆；通過量子容失編碼和拓?fù)淞孔蛹m錯實驗，證明容錯量子計算的可行性；全面演示了量子信息領(lǐng)域的重要算法，包括獨立光子之間的邏輯門操作、大數(shù)分解算法、搜索算法、求解線性方程組量子算法和“任意子”分?jǐn)?shù)統(tǒng)計現(xiàn)象的量子模擬。

面發(fā)展了面向?qū)嵱没Ｃ芰孔油ㄐ诺墓饬孔觽鬏敺椒ǎ於藦V域量子通信的科學(xué)基礎(chǔ)。首次克服實用量子通信的兩大安全隱患，突破安全距離超百公里的光纖量子密鑰分發(fā)、全通型量子電話和規(guī)模化城域量子網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)了量子通信在城市范圍內(nèi)的實用化；發(fā)展了國際上綜合性能最好的量子存儲器，從理論上提出并實驗實現(xiàn)了可升級量子中繼基本單元，使得量子通信在城際之間的實用化成為可能；在國際上引領(lǐng)自由空間量子通信技術(shù)的發(fā)展，率先突破了遠(yuǎn)距離量子通信穿越大氣層等效厚度和克服高損耗星地通道的關(guān)鍵技術(shù)，實現(xiàn)了百公里量級的糾纏分發(fā)和量子隱形傳態(tài)，為未來實現(xiàn)基于星地量子通信的全球化量子網(wǎng)絡(luò)奠定了科學(xué)和技術(shù)基礎(chǔ)。

智能骨科引領(lǐng)醫(yī)學(xué)新時代

北京積水潭醫(yī)院，北京航空航天大學(xué)“基于影像導(dǎo)航和機器人技術(shù)的智能骨科手術(shù)體系建立及臨床應(yīng)用”在2015年度國家科學(xué)技術(shù)獎頒獎中獲國家科技進步獎二等獎。

該成果通過醫(yī)工企協(xié)同創(chuàng)新，突破了手術(shù)導(dǎo)航、手術(shù)機器人、遠(yuǎn)程手術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)群，形成了一套符合我國臨床實際、擁有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的骨科智能化手術(shù)體系。首次提出骨科雙平面算法，定位精度較國際提高20%；研制我國首臺完全骨科機器人，獲國內(nèi)唯一醫(yī)療外科機器人III類器械注冊證；建立國內(nèi)首家骨科機器人手術(shù)中心；并建立了骨科智能化手術(shù)新標(biāo)準(zhǔn)、新術(shù)式和新型培訓(xùn)模式，加快了我國骨科智能化進程。在全國22省區(qū)56家醫(yī)院開展應(yīng)用，受益患者12萬余人。

“風(fēng)光互補”自主式水面機器人-高智商的水面清潔工

由中科院合肥研究院智能研究所“973”首席科學(xué)家劉錦淮研究員帶領(lǐng)導(dǎo)的一個研究小組最新研發(fā)了一款名為“風(fēng)光互補”自主式水面機器人。這款水面自動清潔機器人由水面漂浮物自動回收裝置和水面機器人組成，類似于家庭清潔機器人，主要應(yīng)用于各種海洋、湖泊、河道、灘涂及景區(qū)內(nèi)的湖泊、池塘的固體垃圾、浮萍等清理，以及危險區(qū)域進行遠(yuǎn)程作業(yè)，提高安全性和高效性。

該水面機器人相對于現(xiàn)有水面無人船具有獨特優(yōu)勢：

動力來源于大容量電池、風(fēng)力和太陽能發(fā)電混合電源系統(tǒng)，解決了水面機器人長時間持續(xù)巡航的動力問題；

采用視覺和雷達(dá)雙模目標(biāo)識別方法，在此基礎(chǔ)上自主開發(fā)了水面目標(biāo)的路徑優(yōu)化和自主壁障等智能算法，解決了水面機器人的全局路徑規(guī)劃和局部實時避障問題；

融合了多模導(dǎo)航系統(tǒng)、三維電子羅盤、驅(qū)動器自動調(diào)速控制技術(shù)、高帶寬無線數(shù)據(jù)實時傳輸技術(shù)以及人工智能等技術(shù)，解決了水面目標(biāo)自動控制問題。

此外，以水面機器人為通用平臺，可搭建多種水質(zhì)監(jiān)測儀器，例如小型化重金屬檢測儀器、不同深度水質(zhì)自動采樣裝置以及水質(zhì)原位在線檢測裝置等，小型化后集成到水面機器人平臺之中，形成水質(zhì)監(jiān)測移動實驗室，取代目前常用的水質(zhì)固定監(jiān)測站或者監(jiān)測浮標(biāo)，實現(xiàn)任意水域、全天候、水質(zhì)立體斷面的原位和低成本實時水質(zhì)監(jiān)測、分析與預(yù)警。

據(jù)相關(guān)科研人員介紹，國內(nèi)現(xiàn)有的水面機器人水質(zhì)檢測與采樣技術(shù)一般只能在線檢測常規(guī)的水質(zhì)五參數(shù)指標(biāo)，很難全面檢測水中有機物、營養(yǎng)鹽和重金屬，無法實現(xiàn)水中重金屬等重要污染物的原位和實時檢測。另外，現(xiàn)有技術(shù)一般只能檢測水域的淺層水，無法檢測水域中不同深度層面的水質(zhì)立體斷面污染分布狀況。

利用鐵電聚合物極化制備高靈敏光電探測器

上海技術(shù)物理研究所紅外物理國家重點實驗室胡偉達(dá)、王建祿等研究人員對二維半導(dǎo)體帶隙調(diào)控及高性能光電探測器件進行研究，利用鐵電聚合物極化制備低功耗、高可靠性、高靈敏光電探測器，相關(guān)成果被Advanced Materials編輯選為期刊卷首發(fā)表。

近年來，二維半導(dǎo)體材料在光電探測領(lǐng)域的研究受到高度關(guān)注。基于場效應(yīng)管結(jié)構(gòu)，利用外置柵壓耗盡二維半導(dǎo)體溝道的載流子，是該類光電器件實現(xiàn)高靈敏探測主要途徑。研究人員構(gòu)建了鐵電聚合物P(VDF-TrFE)替代傳統(tǒng)氧化物的鐵電場效應(yīng)結(jié)構(gòu)，利用鐵電極化形成的內(nèi)建電場耗盡溝道載流子，制備的光電器件探測率達(dá)2.2×1012Jones，λ=635nm。

此外，鐵電極化形成的巨內(nèi)建電場，可使得二維過渡金屬硫?qū)倩衔锉砻嬷貥?gòu)，從而實現(xiàn)了對二維半導(dǎo)體能帶結(jié)構(gòu)的調(diào)控，進而延展了過渡金屬硫?qū)倩衔锒蚧f光電探測波長，探測截至波長從850nm延伸至1550nm的短波紅外。

這項工作提供了利用鐵電極化局域場操控二維材料能帶結(jié)構(gòu)及光電特性新方法，為推進二維材料在光電子器件及電子器件等領(lǐng)域的應(yīng)用都具有重要意義。

互聯(lián)網(wǎng)+微傳感器=10000倍能效

德國佛萊堡大學(xué)微系統(tǒng)工程系教授Tolgay Ungan為主導(dǎo)的研究團隊開發(fā)出一款免電池太陽能供電的因特網(wǎng)傳感器系統(tǒng)，可用于監(jiān)測博物館藝術(shù)品的溫度、濕度或氣壓。多種低功耗技術(shù)的使用，使該系統(tǒng)的能源效率較傳統(tǒng)的無線解決方案高10,000倍。

因特網(wǎng)傳感器系統(tǒng)采用專利的無線喚醒技術(shù)，能夠喚起數(shù)萬個處于睡眠模式下的微型傳感器，使其得以收集測量資料，經(jīng)由無線局域網(wǎng)絡(luò)(WLAN)或GSM網(wǎng)絡(luò)直接傳送測量值至因特網(wǎng)。傳感器系統(tǒng)也不必使用基地臺，透過因特網(wǎng)記錄數(shù)據(jù)后，即自動透過電子郵件或SMS發(fā)送提醒簡訊至指定的人員。

系統(tǒng)使用一種用于室內(nèi)的特殊太陽能電池供電，即使是在光線條件不好時也能順利作業(yè)。不過，它至少需要 50Lux的亮度，如果環(huán)境光線低于50 Lux，就必須使用整合的能量緩沖器以確保長效作業(yè)。

除了使用太陽能電池供電、不使用基地臺或備用電池而降低成本以外，這種因特網(wǎng)傳感器系統(tǒng)的另一項特點是在太陽能電池的表面使用特殊涂層，使得該組件的顏色可因展廳的需要而調(diào)整。此外，這種傳感器系統(tǒng)還能用于監(jiān)測參觀游客的流量。

同時感知熱量和壓力的新型電子皮膚

由韓國蔚山國家科學(xué)技術(shù)研究所Jonghwa Park教授帶領(lǐng)的一個研究小組最新研發(fā)了一種“電子皮膚”，能夠同時感知熱量和壓力，可用于制造更加逼真的假體，或者提高可穿戴傳感器和醫(yī)學(xué)診斷設(shè)備的精確度。

在測試中，電子皮膚的凹槽能夠感知到流經(jīng)的水滴，并且能夠探測到頭發(fā)放在其表面的壓力。此前電子皮膚很難實現(xiàn)同時高靈敏探測熱量和不同類型的壓力。

研究人員模擬手指指紋凹槽結(jié)構(gòu)設(shè)計了鐵電薄膜，顯微放大人體指尖皮膚的“山脈脊?fàn)睢苯Y(jié)構(gòu)，通過添加聚合物制成復(fù)合材料和減少氧化石墨烯，該薄膜能夠探測到觸覺和溫度變化。研究人員通過水滴測試了電子皮膚對外部變化的響應(yīng)，發(fā)現(xiàn)電子皮膚能夠在不同壓力和溫度下探測到水滴落下，甚至可以探測到人類頭發(fā)產(chǎn)生的微小壓力。

用于追蹤人體重要器官的吞咽傳感器

人們有多種方法可以監(jiān)測自己的健康和健身狀況，例如依靠健身手環(huán)計量行走的步數(shù)、跑步的距離，甚至是監(jiān)測心跳是否在正常范圍內(nèi)。不過，對于想了解與身體狀況有關(guān)的更詳細(xì)和更復(fù)雜信息的人群來說，吞咽一個傳感器可能是個不錯的主意。

麻省理工學(xué)院的研究人員最近開發(fā)了一款傳感器，傳感器被封裝在一個大小與維生素藥丸基本相當(dāng)?shù)墓枘z膠囊中，人們把它吞咽下去后，傳感器可以評估使用者的病情、監(jiān)視戰(zhàn)斗中的士兵、對慢性病患者進行長期評估、甚至用于幫助提高運動員的訓(xùn)練水平。此外，它還能通過心臟跳動和肺部呼吸發(fā)出的獨特聲音計算心率和呼吸頻率。

研究人員說，這類傳感器可以取代穿著不夠舒適的可穿戴傳感器，未來希望最終能用于診斷疾病和傳輸治療疾病的藥物。

100美元？新型熒光壽命成像技術(shù)使癌癥檢測常規(guī)化

來自麻省理工學(xué)院的研究人員正在進行一種被稱為熒光壽命成像的技術(shù)研究，它只需花費100美元，就可以快速地完成癌癥檢測，節(jié)省時間金錢，有望用于替代成本高達(dá)10萬美元的癌癥檢測裝置，這種實用的診斷技術(shù)有望在發(fā)展中國家更快地普及。

該技術(shù)采用熒光壽命，即熒光發(fā)光時間技術(shù)，這些熒光能吸收光并在短時間內(nèi)重新發(fā)出光。 通過與特定化學(xué)物質(zhì)反應(yīng)作用，熒光的吸收和發(fā)射之間的時間間隔能通過一種可預(yù)測的方式干預(yù)改變。對于癌細(xì)胞，熒光物質(zhì)需要更長的時間來吸收和發(fā)射這些光，而利用目前的顯微技術(shù)測量，其成本高昂。

研究人員已經(jīng)找到了如何利用更廉價的技術(shù)，并結(jié)合特定的計算機算法來獲得相同的熒光時間數(shù)據(jù)。類似Kinect技術(shù)，飛行時間傳感器“看到”圖像的原理和蝙蝠飛行類似，蝙蝠是利用超聲波在空中導(dǎo)航飛行，聲波碰到障礙物會反彈信號，而飛行時間傳感器使用的光脈沖。為解決傳感器靈敏度不夠的問題，研究人員還找到了一種能發(fā)射50種不同頻率光波的方法。有了這些數(shù)據(jù)，計算機就能找到適合所有測量距離和時間的等式。

研究人員介紹說，“我們正在探索拓展時間結(jié)果成像技術(shù)的使用范圍，希望將其惠及所有成像相關(guān)檢測，并且填補不足，將不可能變?yōu)榭赡堋！?/p>

英國人將大面積石墨烯制造成本降低了100倍

石墨烯雖只有單一原子厚，但非常靈活，而且比鋼還要硬，能有效導(dǎo)熱和導(dǎo)電。然而，石墨烯的工業(yè)化大規(guī)模應(yīng)用仍受制于高昂的生產(chǎn)成本。英國格拉斯哥大學(xué)的研究人員最近利用成熟的商用銅箔，將制備大面積石墨烯的成本成功降低了100倍。在近日出版的《科學(xué)報告》雜志上，由該大學(xué)工程學(xué)院萊文達(dá)·達(dá)西亞博士領(lǐng)導(dǎo)的研究團隊解釋了如何將制備大面積石墨烯的成本降低如此之多。

石墨烯的制備通常要經(jīng)過化學(xué)氣相沉積（CVD）過程，在特殊表面膜的襯底上生成氣體反應(yīng)物。研究團隊利用鋰離子電池負(fù)極上常用的商業(yè)化銅箔生成高質(zhì)量石墨烯，超光滑的銅箔表面為石墨烯的生成提供了優(yōu)秀的反應(yīng)床。結(jié)果顯示，用新方法生成的石墨烯在導(dǎo)電性和光學(xué)性能方面有明顯改善。

達(dá)西亞博士算了一筆帳，這種方法的成本大約是$1.00/m2，而目前廣泛使用的制備方法為$115.00/m2，而且還需提前對它進行額外加工，又增加了一部分成本。

達(dá)西亞說：“我們的團隊以較低的成本生產(chǎn)出高質(zhì)量石墨烯，向大規(guī)模生產(chǎn)制造可負(fù)擔(dān)的應(yīng)用型新材料電子元器件推進了一大步。”

用血糖儀檢測汞離子——汞離子現(xiàn)場檢測新手段

近日，廣州生物醫(yī)藥與健康研究院的一個研究小組發(fā)布了一種生物傳感器，利用常規(guī)血糖儀即可完成汞離子的在線檢測，價格便宜、體積小、操作簡單、能夠及時快速地提供定量的結(jié)果。

這種方法基于介孔硅納米顆粒可控葡萄糖釋放體系，在汞離子存在下，T-T錯配的雙鏈核酸形成，介孔硅上吸附的單鏈核酸從而脫落，介孔硅的孔洞打開，葡萄糖得到釋放，隨之加入核酸外切酶Ⅲ，酶反應(yīng)將從平端的3’-5’的方向降解一條核酸，剩余的單鏈會繼續(xù)與介孔硅上吸附的核酸雜交，形成循環(huán)，放大信號，最后用常規(guī)的血糖儀來檢測葡萄糖含量，再換算為樣品中汞離子的含量。

該方法靈敏度高，特異性好，檢測限可達(dá)到0.1 nM，線性范圍為0.1～80nM。由于摒棄了傳統(tǒng)的基于色譜、抗體或特異核酸序列為基礎(chǔ)的檢測方法，為重金屬汞離子的現(xiàn)場檢測提供一種新的手段。