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“宇稱(chēng)-時(shí)間”對(duì)稱(chēng)增強(qiáng)型量子傳感器問(wèn)世

中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)郭光燦團(tuán)隊(duì)的李傳鋒、唐建順研究組在量子傳感和“宇稱(chēng)-時(shí)間”對(duì)稱(chēng)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究中取得重要進(jìn)展，首次實(shí)現(xiàn)了“宇稱(chēng)-時(shí)間”對(duì)稱(chēng)增強(qiáng)型量子傳感器，其靈敏度比傳統(tǒng)量子傳感器提高了8.86倍。該成果2020年12月10日發(fā)表于著名學(xué)術(shù)期刊《物理評(píng)論快報(bào)》。

物質(zhì)同時(shí)滿(mǎn)足時(shí)間和空間對(duì)稱(chēng)，即“宇稱(chēng)-時(shí)間”對(duì)稱(chēng)。“宇稱(chēng)-時(shí)間”對(duì)稱(chēng)理論有許多違反直覺(jué)的現(xiàn)象和引人注目的應(yīng)用，包括單向光傳輸、無(wú)線(xiàn)能量傳輸、“宇稱(chēng)-時(shí)間”對(duì)稱(chēng)增強(qiáng)的傳感器等，但這些在經(jīng)典物理系統(tǒng)中產(chǎn)生的現(xiàn)象和應(yīng)用能否應(yīng)用到量子系統(tǒng)，能否利用“宇稱(chēng)-時(shí)間”對(duì)稱(chēng)增強(qiáng)量子傳感器的靈敏度？

在前期工作中，研究組已經(jīng)構(gòu)建出量子“宇稱(chēng)-時(shí)間”對(duì)稱(chēng)系統(tǒng)，隨后構(gòu)造了一個(gè)弱測(cè)量輔助的量子“宇稱(chēng)-時(shí)間”對(duì)稱(chēng)系統(tǒng)。基于這一系統(tǒng)，研究組首次實(shí)現(xiàn)“宇稱(chēng)-時(shí)間”對(duì)稱(chēng)增強(qiáng)型量子傳感器，并研究了與提高靈敏度最佳條件相關(guān)的各種特性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，將工作點(diǎn)設(shè)置在“宇稱(chēng)-時(shí)間”對(duì)稱(chēng)系統(tǒng)的破缺奇異點(diǎn)，則這種傳感器的靈敏度相較于傳統(tǒng)量子傳感器提高了8.86倍。

高通量光學(xué)成像研究取得新成果

2021年1月4日，光電信息學(xué)院費(fèi)鵬教授課題組聯(lián)合武漢光電國(guó)家研究中心朱?教授及同濟(jì)醫(yī)學(xué)院附屬同濟(jì)醫(yī)院梅偉教授課題組，在國(guó)際著名期刊《自然·通訊》（Nature Communications）上發(fā)表了題為“Minutes-timescale 3D isotropic imaging of entire organs at subcellular resolution by contentaware compressed-sensing light-sheet microscopy”的研究論文。光電信息學(xué)院博士研究生方春鈺、武漢國(guó)家光電研究中心副研究員俞婷婷為論文共同第一作者。費(fèi)鵬教授、朱?教授和梅偉教授為論文共同通訊作者。

論文提出一種自監(jiān)督的三維壓縮感知算法，結(jié)合大視場(chǎng)貝塞爾光片顯微鏡技術(shù)，實(shí)現(xiàn)高通量的全組織整體三維成像。該研究在光學(xué)上實(shí)現(xiàn)了大視場(chǎng)下的均勻貝塞爾型光片照明，可對(duì)數(shù)毫米至數(shù)厘米尺寸經(jīng)快速透明化處理的組織樣本進(jìn)行僅1～3 μm厚的光學(xué)層析激發(fā)，使自行研制的光片顯微鏡在硬件上即具備各向同性三維成像的能力。在圖像處理方面，該研究提出了一種根據(jù)熒光信號(hào)局部稀疏特性自動(dòng)調(diào)整約束參數(shù)的壓縮感知算法（content aware compressive sensing，CACS），可對(duì)大規(guī)模、高動(dòng)態(tài)范圍圖像進(jìn)行三維分辨率增強(qiáng)。將兩者結(jié)合后，大視場(chǎng)貝塞爾光片顯微鏡可在較低倍率下僅需數(shù)分鐘即獲取組織的整體三維圖像，再經(jīng)CACS算法復(fù)原，快速重建出全組織的高分辨版本圖像。

該研究改進(jìn)了傳統(tǒng)的壓縮感知算法，并發(fā)展出大視場(chǎng)貝塞爾光片顯微鏡技術(shù)，兩者的結(jié)合顯著提升了三維熒光成像的通量，解決了以往大規(guī)模、全組織三維成像通量低的難題。硬件上通過(guò)新型光片顯微鏡可快速獲取各向同性分辨率的原始三維圖像，軟件上自適應(yīng)壓縮感知方法可進(jìn)一步增強(qiáng)分辨率，且無(wú)需數(shù)據(jù)訓(xùn)練，對(duì)熒光信號(hào)具有高適用性。

本研究獲科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、基金委面上項(xiàng)目、基金委重大儀器研制項(xiàng)目、基金委重點(diǎn)國(guó)際合作項(xiàng)目及武漢光電研究中心WNLO創(chuàng)新基金資助。

青島科大研究團(tuán)隊(duì)在環(huán)境傳感器領(lǐng)域取得新進(jìn)展

青島科技大學(xué)環(huán)境學(xué)院青年教師李龍博士團(tuán)隊(duì)及錢(qián)翌教授團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)新型硫酸根載體并構(gòu)建了高選擇性硫酸根聚合物膜電極，相關(guān)成果以“Hydrogen Bond-Based Macrocyclic and Tripodal Neutral Ionophores for Highly Selective Polymeric Membrane Sulfate-Selective Electrodes”為題，于2020年12月29日發(fā)表在國(guó)際著名期刊ACS Sensors上。

文章以方酰胺及硫脲為氫鍵給體，通過(guò)設(shè)計(jì)分子的空間結(jié)構(gòu)，構(gòu)建了對(duì)硫酸根具有高選擇性、強(qiáng)結(jié)合能力的環(huán)狀及具有三維結(jié)構(gòu)的離子載體，并據(jù)此構(gòu)建了高選擇性硫酸根離子選擇性電極。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，開(kāi)發(fā)的新型硫酸根離子選擇性電極具有良好的選擇性及靈敏度，環(huán)境水體中常見(jiàn)的陰離子如高氯酸根、硫氰根、硝酸根等不干擾硫酸根離子的檢測(cè)，目前該傳感器已成功用于飲用水中硫酸根離子含量的測(cè)定。該進(jìn)展的相關(guān)文章以青島科技大學(xué)為第一單位，環(huán)境學(xué)院李龍博士為論文的通訊作者及第一作者。

該工作得到了山東省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、山東省自然科學(xué)基金、青島市基礎(chǔ)創(chuàng)新專(zhuān)項(xiàng)及國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、中科院重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、生態(tài)化工協(xié)同創(chuàng)新中心及青島科技大學(xué)化學(xué)學(xué)部等支持。

哈工大團(tuán)隊(duì)在金剛石單晶領(lǐng)域取得突破進(jìn)展

2021年1月1日，哈爾濱工業(yè)大學(xué)與香港城市大學(xué)、麻省理工學(xué)院等單位合作，首次通過(guò)納米力學(xué)方法展示了微晶金剛石陣列均勻的深彈性應(yīng)變。該研究突出了深彈性應(yīng)變工程在光子學(xué)、電子學(xué)和量子信息技術(shù)中的巨大應(yīng)用潛力。研究成果以“微納金剛石單晶的超大均勻拉伸彈性（Achieving large uniform tensile elasticity in microfabricated diamond）”為題，發(fā)表在《科學(xué)在線(xiàn)》（Science online）上。

金剛石具有高硬度、超寬帶隙、出色的載流子遷移率和優(yōu)異的導(dǎo)熱性能，是實(shí)現(xiàn)“后摩爾”時(shí)代電子、光電子和量子芯片的基礎(chǔ)性材料之一，目前最大的技術(shù)障礙在于實(shí)現(xiàn)帶隙的有效調(diào)控。由于金剛石結(jié)構(gòu)緊湊，常規(guī)的N型摻雜目前進(jìn)展緩慢。本研究發(fā)現(xiàn)，通過(guò)超大的彈性應(yīng)變調(diào)控可以從根本上改變金剛石的能帶結(jié)構(gòu)，從而為彈性應(yīng)變工程及單晶金剛石器件的應(yīng)用提供基礎(chǔ)性和顛覆性解決方案。

哈工大韓杰才院士團(tuán)隊(duì)成員、論文作者之一、航天學(xué)院朱嘉琦教授介紹，2018年，陸洋團(tuán)隊(duì)首次報(bào)道納米級(jí)金剛石針具有超大的彈性變形，局部彎曲彈性應(yīng)變達(dá)到9%以上，提供了調(diào)節(jié)金剛石能帶的另一種可能。但上述應(yīng)變嘗試往往局限于小樣本體積內(nèi)，而彎曲導(dǎo)致應(yīng)變分布不均勻。本次研究在室溫下對(duì)長(zhǎng)度約1 μm，寬度約100～300 nm的高質(zhì)量單晶金剛石橋結(jié)構(gòu)進(jìn)行精細(xì)微加工，并在單軸拉伸載荷下實(shí)現(xiàn)了樣品整體范圍內(nèi)均勻超大彈性應(yīng)變。為展示應(yīng)變金剛石器件概念，團(tuán)隊(duì)還加工并實(shí)現(xiàn)了微橋金剛石陣列的彈性應(yīng)變，并進(jìn)一步通過(guò)計(jì)算可實(shí)現(xiàn)單晶金剛石多達(dá)2 eV的帶隙降低，極其有利于微電子應(yīng)用。

美國(guó)學(xué)者研制出一種光學(xué)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)加速器

2021年1月5日，美國(guó)喬治·華盛頓大學(xué)和加州大學(xué)洛杉磯分校的研究人員宣布與深度科技創(chuàng)業(yè)公司Optelligence LLC共同開(kāi)發(fā)出一種光學(xué)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)加速器，每秒能夠處理拍字節(jié)（1拍字節(jié)=250字節(jié)）級(jí)的大量信息。這項(xiàng)創(chuàng)新利用了光的巨量并行性，預(yù)示著用于機(jī)器學(xué)習(xí)的光學(xué)信號(hào)處理新時(shí)代的到來(lái)，應(yīng)用領(lǐng)域眾多，包括無(wú)人駕駛汽車(chē)、5G網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)中心、生物醫(yī)學(xué)診斷、數(shù)據(jù)安全等。

為了在這種光學(xué)機(jī)器學(xué)習(xí)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)突破，研究人員用基于數(shù)字鏡的技術(shù)取代了空間光調(diào)制器，從而開(kāi)發(fā)出速度快百倍的系統(tǒng)。該處理器的非迭代時(shí)序，再加上快速的可編程性以及大規(guī)模并行化處理，使得這個(gè)光學(xué)機(jī)器學(xué)習(xí)系統(tǒng)的性能甚至超越頂尖的圖形處理單元一個(gè)數(shù)量級(jí)，而且在最初的原型機(jī)之外還有進(jìn)一步優(yōu)化的空間。

不同于目前電子機(jī)器學(xué)習(xí)硬件中按順序處理信息的范式，這款處理器采用了傅里葉光學(xué)，即頻率濾波的概念，可以利用數(shù)字鏡像技術(shù)將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)所需的卷積執(zhí)行為更簡(jiǎn)單的逐元（elementwise）乘法。

喬治·華盛頓大學(xué)電氣與計(jì)算機(jī)工程系副教授Volker Sorger表示：“這種大規(guī)模并行的、唯輻度的傅立葉光學(xué)處理器預(yù)示著信息處理和機(jī)器學(xué)習(xí)的新時(shí)代的到來(lái)。研究表明，訓(xùn)練該神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以解決相位信息缺乏的問(wèn)題。”

加州大學(xué)洛杉磯分校計(jì)算機(jī)工程系副主任Puneet Gupta教授表示：“光學(xué)允許在單個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)內(nèi)處理大規(guī)模矩陣，從而實(shí)現(xiàn)了通過(guò)光學(xué)方式執(zhí)行卷積操作的新尺度向量。正如在這里所演示的，這對(duì)于機(jī)器學(xué)習(xí)應(yīng)用來(lái)說(shuō)有著巨大的潛力。”

Optelligence LLC公司聯(lián)合創(chuàng)始人Hamed Dalir表示：“該原型展示了光加速器的商業(yè)化途徑，它已經(jīng)為網(wǎng)絡(luò)邊緣處理、數(shù)據(jù)中心和高性能計(jì)算系統(tǒng)等許多應(yīng)用做好了準(zhǔn)備。”