業界動態

2015年度國家科學技術獎揭曉"多光子糾纏及干涉度量"獲國家自然科學獎一等獎

1月8日，2015年度國家科學技術獎勵大會在人民大會堂召開，共評出國家自然科學獎42項，國家技術發明獎66項，國家科學技術進步獎187項，中華人民共和國國際科學技術合作獎7人。

自然科學獎為中國自然科學領域的最高獎，旨在獎勵在基礎研究和應用基礎研究領域，闡明自然現象、特征和規律，做出重大科學貢獻的中國公民。此前，華羅庚、吳文俊、錢學森等均曾獲此殊榮。中國科學技術大學潘建偉團隊在廣域量子通信和光學量子信息處理等領域取得了一系列具有重要國際影響的原始創新成果，為我國在新興的量子信息產業搶占先機、成為領跑者奠定科學基礎，由此獲得國家自然科學獎一等獎。

量子信息科學是上世紀九十年代以來國際上最活躍的前沿研究領域之一，量子信息的物理研究和技術實現將人類利用量子力學認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略性信息產業產生深遠的影響，同時量子調控技術還可用以實現高精度的精密測量手段，將應用于自主導航、醫學檢驗、物理學基本常數測定、引力波探測等領域。

多粒子糾纏的相干操縱是發展實用化量子信息技術的必備條件。以潘建偉團隊為代表的中國科學家在國際上引領和推動了多光子糾纏干涉量度學的發展，取得了廣域量子通信和光學量子信息處理等領域的系統性關鍵突破，并在此基礎上將量子保密通信技術帶入現實應用，贏得國際學術界廣泛認可。

潘建偉團隊的重要成就包括：

系統性地發展了多光子糾纏和干涉技術，并用于量子力學基礎檢驗。在國際上首次實驗制備和嚴格驗證具有多體純糾纏的多光子糾纏態。2004年，實現對五光子糾纏的操縱，為當時世界上所有物理系統項目組的的最多糾纏粒子數目，首次達到量子糾錯必需的比特數目。在隨后的2007、2010和2012年，項目組三次打破并刷新自己的記錄，率先實現六光子糾纏、五光子十比特超糾纏和八光子糾纏，并保持紀錄至今。

利用多光子操縱率先實現量子信息處理關鍵技術和重要算法。首次實現終端開放量子隱形傳態、兩粒子復合態量子隱形傳態和量子遠程克隆；通過量子容失編碼和拓撲量子糾錯實驗，證明容錯量子計算的可行性；全面演示了量子信息領域的重要算法，包括獨立光子之間的邏輯門操作、大數分解算法、搜索算法、求解線性方程組量子算法和“任意子”分數統計現象的量子模擬。

面發展了面向實用化保密量子通信的光量子傳輸方法，奠定了廣域量子通信的科學基礎。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、全通型量子電話和規模化城域量子網絡，實現了量子通信在城市范圍內的實用化；發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；在國際上引領自由空間量子通信技術的發展，率先突破了遠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鍵技術，實現了百公里量級的糾纏分發和量子隱形傳態，為未來實現基于星地量子通信的全球化量子網絡奠定了科學和技術基礎。

智能骨科引領醫學新時代

北京積水潭醫院，北京航空航天大學“基于影像導航和機器人技術的智能骨科手術體系建立及臨床應用”在2015年度國家科學技術獎頒獎中獲國家科技進步獎二等獎。

該成果通過醫工企協同創新，突破了手術導航、手術機器人、遠程手術等關鍵技術群，形成了一套符合我國臨床實際、擁有完全自主知識產權的骨科智能化手術體系。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，獲國內唯一醫療外科機器人III類器械注冊證；建立國內首家骨科機器人手術中心；并建立了骨科智能化手術新標準、新術式和新型培訓模式，加快了我國骨科智能化進程。在全國22省區56家醫院開展應用，受益患者12萬余人。

“風光互補”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”首席科學家劉錦淮研究員帶領導的一個研究小組最新研發了一款名為“風光互補”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，主要應用于各種海洋、湖泊、河道、灘涂及景區內的湖泊、池塘的固體垃圾、浮萍等清理，以及危險區域進行遠程作業，提高安全性和高效性。

該水面機器人相對于現有水面無人船具有獨特優勢：

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

采用視覺和雷達雙模目標識別方法，在此基礎上自主開發了水面目標的路徑優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劃和局部實時避障問題；

融合了多模導航系統、三維電子羅盤、驅動器自動調速控制技術、高帶寬無線數據實時傳輸技術以及人工智能等技術，解決了水面目標自動控制問題。

此外，以水面機器人為通用平臺，可搭建多種水質監測儀器，例如小型化重金屬檢測儀器、不同深度水質自動采樣裝置以及水質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，形成水質監測移動實驗室，取代目前常用的水質固定監測站或者監測浮標，實現任意水域、全天候、水質立體斷面的原位和低成本實時水質監測、分析與預警。

據相關科研人員介紹，國內現有的水面機器人水質檢測與采樣技術一般只能在線檢測常規的水質五參數指標，很難全面檢測水中有機物、營養鹽和重金屬，無法實現水中重金屬等重要污染物的原位和實時檢測。另外，現有技術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

上海技術物理研究所紅外物理國家重點實驗室胡偉達、王建祿等研究人員對二維半導體帶隙調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，相關成果被Advanced Materials編輯選為期刊卷首發表。

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

此外，鐵電極化形成的巨內建電場，可使得二維過渡金屬硫屬化合物表面重構，從而實現了對二維半導體能帶結構的調控，進而延展了過渡金屬硫屬化合物二硫化鉬光電探測波長，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構及光電特性新方法，為推進二維材料在光電子器件及電子器件等領域的應用都具有重要意義。

互聯網+微傳感器=10000倍能效

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

因特網傳感器系統采用專利的無線喚醒技術，能夠喚起數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，經由無線局域網絡(WLAN)或GSM網絡直接傳送測量值至因特網。傳感器系統也不必使用基地臺，透過因特網記錄數據后，即自動透過電子郵件或SMS發送提醒簡訊至指定的人員。

系統使用一種用于室內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。不過，它至少需要 50Lux的亮度，如果環境光線低于50 Lux，就必須使用整合的能量緩沖器以確保長效作業。

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，這種因特網傳感器系統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整。此外，這種傳感器系統還能用于監測參觀游客的流量。

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技術研究所Jonghwa Park教授帶領的一個研究小組最新研發了一種“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學診斷設備的精確度。

在測試中，電子皮膚的凹槽能夠感知到流經的水滴，并且能夠探測到頭發放在其表面的壓力。此前電子皮膚很難實現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構設計了鐵電薄膜，顯微放大人體指尖皮膚的“山脈脊狀”結構，通過添加聚合物制成復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，發現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產生的微小壓力。

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測自己的健康和健身狀況，例如依靠健身手環計量行走的步數、跑步的距離，甚至是監測心跳是否在正常范圍內。不過，對于想了解與身體狀況有關的更詳細和更復雜信息的人群來說，吞咽一個傳感器可能是個不錯的主意。

麻省理工學院的研究人員最近開發了一款傳感器，傳感器被封裝在一個大小與維生素藥丸基本相當的硅膠膠囊中，人們把它吞咽下去后，傳感器可以評估使用者的病情、監視戰斗中的士兵、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練水平。此外，它還能通過心臟跳動和肺部呼吸發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使癌癥檢測常規化

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

該技術采用熒光壽命，即熒光發光時間技術，這些熒光能吸收光并在短時間內重新發出光。 通過與特定化學物質反應作用，熒光的吸收和發射之間的時間間隔能通過一種可預測的方式干預改變。對于癌細胞，熒光物質需要更長的時間來吸收和發射這些光，而利用目前的顯微技術測量，其成本高昂。

研究人員已經找到了如何利用更廉價的技術，并結合特定的計算機算法來獲得相同的熒光時間數據。類似Kinect技術，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射50種不同頻率光波的方法。有了這些數據，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果成像技術的使用范圍，希望將其惠及所有成像相關檢測，并且填補不足，將不可能變為可能。”

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，能有效導熱和導電。然而，石墨烯的工業化大規模應用仍受制于高昂的生產成本。英國格拉斯哥大學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《科學報告》雜志上，由該大學工程學院萊文達·達西亞博士領導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過化學氣相沉積（CVD）過程，在特殊表面膜的襯底上生成氣體反應物。研究團隊利用鋰離子電池負極上常用的商業化銅箔生成高質量石墨烯，超光滑的銅箔表面為石墨烯的生成提供了優秀的反應床。結果顯示，用新方法生成的石墨烯在導電性和光學性能方面有明顯改善。

達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。

達西亞說：“我們的團隊以較低的成本生產出高質量石墨烯，向大規模生產制造可負擔的應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——汞離子現場檢測新手段

近日，廣州生物醫藥與健康研究院的一個研究小組發布了一種生物傳感器，利用常規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，酶反應將從平端的3’-5’的方向降解一條核酸，剩余的單鏈會繼續與介孔硅上吸附的核酸雜交，形成循環，放大信號，最后用常規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，檢測限可達到0.1 nM，線性范圍為0.1～80nM。由于摒棄了傳統的基于色譜、抗體或特異核酸序列為基礎的檢測方法，為重金屬汞離子的現場檢測提供一種新的手段。