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(xiàng)，國家技術(shù)發(fā)明獎66項(xiàng)，國家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎187項(xiàng)，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(xiàn)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(tuán)隊(duì)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(jī)、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(shí)現(xiàn)將人類利用量子力學(xué)認(rèn)識和改造世界的實(shí)踐帶到了一個(gè)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(shí)量子調(diào)控技術(shù)還可用以實(shí)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(yàn)、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(shí)用化量子信息技術(shù)的必備條件。以潘建偉團(tuán)隊(duì)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(shí)應(yīng)用，贏得國際學(xué)術(shù)界廣泛認(rèn)可。

潘建偉團(tuán)隊(duì)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(yàn)。在國際上首次實(shí)驗(yàn)制備和嚴(yán)格驗(yàn)證具有多體純糾纏的多光子糾纏態(tài)。2004年，實(shí)現(xiàn)對五光子糾纏的操縱，為當(dāng)時(shí)世界上所有物理系統(tǒng)項(xiàng)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?cái)?shù)目。在隨后的2007、2010和2012年，項(xiàng)目組三次打破并刷新自己的記錄，率先實(shí)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(shí)現(xiàn)量子信息處理關(guān)鍵技術(shù)和重要算法。首次實(shí)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??；通過量子容失編碼和拓?fù)淞孔蛹m錯實(shí)驗(yàn)，證明容錯量子計(jì)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(dú)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(jì)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?，奠定了廣域量子通信的科學(xué)基礎(chǔ)。首次克服實(shí)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(shí)現(xiàn)了量子通信在城市范圍內(nèi)的實(shí)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(shí)驗(yàn)實(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(jī)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(jìn)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(jī)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(shí)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(jī)器人，獲國內(nèi)唯一醫(yī)療外科機(jī)器人III類器械注冊證；建立國內(nèi)首家骨科機(jī)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(jìn)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(bǔ)”自主式水面機(jī)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(gè)研究小組最新研發(fā)了一款名為“風(fēng)光互補(bǔ)”自主式水面機(jī)器人。這款水面自動清潔機(jī)器人由水面漂浮物自動回收裝置和水面機(jī)器人組成，類似于家庭清潔機(jī)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(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行遠(yuǎn)程作業(yè)，提高安全性和高效性。

該水面機(jī)器人相對于現(xiàn)有水面無人船具有獨(dú)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(jī)器人長時(shí)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(jī)器人的全局路徑規(guī)劃和局部實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)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(jī)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(jī)器人平臺之中，形成水質(zhì)監(jiān)測移動實(shí)驗(yàn)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(shí)現(xiàn)任意水域、全天候、水質(zhì)立體斷面的原位和低成本實(shí)時(shí)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(jī)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(jī)物、營養(yǎng)鹽和重金屬，無法實(shí)現(xiàn)水中重金屬等重要污染物的原位和實(shí)時(shí)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(jìn)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?；趫鲂?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(shí)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(shí)現(xiàn)了對二維半導(dǎo)體能帶結(jié)構(gòu)的調(diào)控，進(jìn)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(xiàng)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(jìn)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(tuán)隊(duì)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(gè)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(shí)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(xiàng)特點(diǎn)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(shí)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(gè)研究小組最新研發(fā)了一種“電子皮膚”，能夠同時(shí)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(shí)現(xiàn)同時(shí)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(jì)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(jì)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(gè)傳感器可能是個(gè)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(gè)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(jìn)行長期評估、甚至用于幫助提高運(yùn)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(dú)特聲音計(jì)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(jìn)行一種被稱為熒光壽命成像的技術(shù)研究，它只需花費(fèi)100美元，就可以快速地完成癌癥檢測，節(jié)省時(shí)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(shí)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(shí)間技術(shù)，這些熒光能吸收光并在短時(shí)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(shí)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(shí)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(jià)的技術(shù)，并結(jié)合特定的計(jì)算機(jī)算法來獲得相同的熒光時(shí)間數(shù)據(jù)。類似Kinect技術(shù)，飛行時(shí)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(shí)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(jì)算機(jī)就能找到適合所有測量距離和時(shí)間的等式。

研究人員介紹說，“我們正在探索拓展時(shí)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(bǔ)不足，將不可能變?yōu)榭赡?。?/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(bào)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(tuán)隊(duì)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(tuán)隊(duì)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(jìn)行額外加工，又增加了一部分成本。

達(dá)西亞說：“我們的團(tuán)隊(duì)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(jìn)了一大步?！?/p>

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(gè)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(jià)格便宜、體積小、操作簡單、能夠及時(shí)快速地提供定量的結(jié)果。

這種方法基于介孔硅納米顆?？煽仄咸烟轻尫朋w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。