原标题：科大资讯 | 近期科研成果速览
来源：中国科学技术大学目
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1.中国科大在双极膜规模化制备取得新进展
2.中国科大实现宇称-时间对称增强型量子传感器
3中国科大实现多参数同时达到海森堡极限的量子精密测量
4.中国科大首次实现按需式读取的可集成固态量子存储器
5.中国科大实现量子超表面图像边缘探测
6.中国科大在源无关量子随机数研究方面取得新进展
7中国科大在量子通信领域取得重要进展：首次在自由空间信道实现测量设备无关量子密钥分发实验
8.中国科大在最优子集选取的问题研究中取得重要进展
9.中国科大实现高效的高维量子隐形传态
10.中国科大研制各向同性全生物质仿生木材
11.金属氧化物半导体基等离激元学研究取得突破性进展
中国科大在双极膜规模化制备取得新进展
化学与材料科学学院徐铜文教授和吴亮教授研究团队在低成本高性能双极膜开发及产业化方面取得突破进展，采用原位生长思路，通过调控苯胺分子在阴阳膜层界面处原位锚定、聚合生长并包裹FeO(OH)颗粒构建稳定水解离中间层制备高性能双极膜。研究成果于2021年1月4日以在线发表于《自然通讯》（Nat. Commun.）。
双极膜是一种新型离子交换膜在食品、化工清洁领域的清洁生产，石油石化、煤化工、烟气吸收液等含盐废水资源化等也具有重要工业应用，被认为是零排放技术的关键材料。国内双极膜产品处于批量试制阶段，还没有真正实现大规模的工业应用，而日本等发达国家一直对中国进行技术封锁和价格垄断。
中国科学技术大学徐铜文教授和吴亮教授研究团队长期致力于高性能双极膜开发及应用技术研究。为进一步提升双极膜水解离效率和中间层稳定性，研究团队采用原位生长思路（如图1），通过调控苯胺分子在阴阳膜层界面处原位锚定、聚集、聚合生长并包裹FeO(OH)颗粒构建稳定水解离中间层制备双极膜，聚苯胺网络提供膜层间强结合力并实现FeO(OH)颗粒的固定和均匀分散（图2a, b）。测试表明，该双极膜具有极低的水解离启动电压（0.8V），表现出优异的稳定性，同时还表现出优异的水解离产酸碱能力，在100 mA cm-2下产酸速率与产碱速率均高于进口Neosepta® BP-1膜（如图2e）。
在此基础上，研究团队开发出具有自主知识产权的高性能双极膜材料及流延+催化层喷涂一次性成型制备技术，已建成中试生产线（图3a），设计制作出相应膜组件（图3b），规模化生产线正在建设中。
图1.原位生长制备双极膜示意图(a)；双极膜电渗析在线产酸碱工作原理图(b)。
图2.双极膜及中间层断面SEM图（a,b）；与商业化产品和文献报道双极膜水解离启动电压及在100 mA cm-2电流密度下水解离工作电压比较图(c)；不同电流密度下双极膜运行稳定性(d)；双极膜产酸碱效率比较(e)。
图3. a双极膜中试生产线及膜产品(a)；双极膜电渗析器(b)。
详细阅读：
http://news.ustc.edu.cn/info/1055/73782.htm
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41467-020-20131-1
中国科大实现宇称-时间对称增强型量子传感器
我校郭光灿院士团队在量子传感和宇称-时间（PT）对称系统的实验研究中取得重要进展。该团队研首次实现了PT对称增强型量子传感器，其灵敏度比传统量子传感器提高了8.86倍。该研究成果2020年12月10日发表在《物理评论快报》上。
PT对称理论是为了扩展量子力学而发展起来的，但它首先在经典物理系统中取得了巨大的成功，它有许多违反直觉的现象和引人注目的应用，包括单向光传输、无线能量传输、PT对称增强的传感器等。
在前期工作中，李传锋、唐建顺研究组已经利用量子开放系统和非厄米量子逻辑门构建出了量子PT对称系统。在这项工作中，研究组构造了一个弱测量辅助的量子PT对称系统，并首次实现了PT对称增强型量子传感器。实验结果表明，将工作点设置在PT对称系统的破缺奇异点，则这种量子传感器的灵敏度相较于传统的量子传感器提高了8.86倍。另外还可以得到扰动方向的信息。
审稿人对该工作给予了高度评价：“这是一个重大的进步，因为这个工作证实了一个运行在奇异点的真正的量子传感器是可以实现的。这肯定具有广泛兴趣。”这项工作向非厄米量子传感器技术迈进了一大步，也为将有趣的经典PT对称现象及其应用引入量子领域提供了范本。
（a）宇称-时间增强型量子传感器工作原理图；（b）实验结构图
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http://news.ustc.edu.cn/info/1055/73785.htm
论文链接：
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.125.240506
中国科大实现多参数同时达到海森堡极限的量子精密测量
我校郭光灿院士团队在多参数量子精密测量研究中取得重要实验进展。该团队在量子精密测量实验中，完全消除了量子比特演化过程中三个待测参数之间的精度制衡，同时实现三个参数达到海森堡极限精度的测量，测量精度比经典方法提高了13.27dB。该研究成果2021年1月1日在线发表在Science Advances上。
单参数量子精密测量是量子精密测量中最简单的问题，在引力波探测等问题中有了重要应用。但是实际测量情形通常包含了多个参数，比单参数测量要复杂很多，因为每个参数的最优测量方案一般不兼容，参数之间存在精度制衡。
为了完全消除参数之间的精度制衡，研究团队在本工作中将单参数测量实验中的控制增强的次序测量技术进一步发展到多参数测量中，通过调控量子系统动力学演化，完全解决了量子比特幺正演化算法中三个参数之间的精度制衡问题，实现了三个参数同时达到海森堡极限的最优测量，精度比经典方法提高了13.27dB。
该工作成功把多参数量子精密测量和海森堡不确定性关系结合起来，揭示了多个参数可以同时实现最优测量的物理本质是多个不确定性关系能够同时达到，这对量子精密测量和不确定性关系两个领域的交叉发展具有重要意义。
量子比特幺正演化算符的三个参数同时实现最优测量的实验装置和实验结果
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http://news.ustc.edu.cn/info/1055/73783.htm
论文链接：
https://advances.sciencemag.org/content/7/1/eabd2986
中国科大首次实现按需式读取的可集成固态量子存储器
我校郭光灿院士团队在量子存储领域取得重要进展。该团队首次实现了按需式读取的可集成固态量子存储器。该成果12月28日发表在《物理评论快报》上。
量子存储器是构建大尺度量子网络的核心器件。基于量子存储器的量子中继或量子U盘可以有效地克服信道损耗，拓展量子网络的工作距离。所谓按需式读取是指光子写入存储器以后再根据需求决定读出的时间，它对实现量子网络中的同步操作等功能至关重要。
为了实现按需式读取，研究组采用了一种改进的量子存储方案，即电场调制的原子频率梳方案。它通过引入两个电脉冲，利用斯塔克效应实时操控稀土离子的演化从而控制存储器的读出时间。研究组实现了光波导的插入损耗达到1 dB以下，这是目前可集成固态量子存储器的最优水平。最终，基于该自制器件研究组在国际上首次实现了按需式读取的可集成固态量子存储器，存储保真度达到99.3%±0.2%。
该成果对大容量量子存储和构建量子网络均有重要意义。
实验光路图和显微镜下集成量子存储器照片
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http://news.ustc.edu.cn/info/1048/73733.htm
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https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.125.260504
中国科大实现量子超表面图像边缘探测
我校郭光灿院士团队在量子超表面图像边缘探测实验研究中取得重要进展：该团队利用高品质偏振纠缠源和高效介质超表面，实现了待检测图像状态在正常模式和边缘探测模式远程的开关切换，并且证实了在弱光场照明下，纠缠光子照明相对于直接单光子照明具有更高的信噪比。这项研究成果于2020年12月16日在线发表在美国《科学》杂志子刊《科学进展》上。
最近几年，超表面材料与量子光学结合成为一个重要的趋势。研究者发明了多种模拟边缘探测的方法，其中一种就是基于超表面材料。在量子纠缠照明下的超表面器件边缘探测还没有相关研究，光子间的纠缠特性将会给边缘探测带来新的可能性比如远程开关切换成像状态和较高的信噪比（在弱光场照明条件下）。
利用偏振纠缠光源中的一个光子进行照明，由于该光子含有两种可能的偏振状态，在另外一个光子没有进行测量的时候，成像的状态是未知的，通过测量另外一个光子的状态，用于照明的光子的偏振状态也会随之确定，因此通过远程切换纠缠光子对中的用于触发的光子的偏振状态可以得到不同的成像效果，可以实现成像的模式在正常模式和边缘探测模式的远程切换。
该工作是量子超表面研究在图像边缘探测的一次尝试，在图像加密和隐写上具有潜在的应用，另外在光子照明匮乏的场景如酶反应跟踪与生物活体细胞的观察上，较高的信噪比会表现出一定的优势。
图1.成像状态切换示意图和实验原理图
图2.不同偏振下成像效果图和纠缠光子照明与单光子直接照明效果对比
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http://news.ustc.edu.cn/info/1048/73796.htm
论文链接：
https://advances.sciencemag.org/content/6/51/eabc4385
中国科大在源无关量子随机数研究方面取得新进展
我校郭光灿院士团队的王双、韩正甫等人针对源无关量子随机数系统中测量设备的实际特性展开研究，提出了测量端由于探测器后脉冲、探测效率不匹配、探测器对光源分布敏感等特性所带来的安全性问题，并给出了相应的解决方案。该成果发表在12月10日的国际知名学术期刊《npj Quantum Information》上。
源无关量子随机数协议是2016年提出的一种新型量子随机数协议，可以在光源不可信的情况下，产生安全的私密随机数。然而该协议仍然存在一些关键安全性问题，严重限制了协议的实际应用。
为了有效解决上述安全问题，王双、韩正甫等人首先给出了包含以上参数的探测器模型，并进一步评估了这些问题对现实安全性的影响。针对探测器后脉冲效应，该团队给出了窃听者能够获得随机数信息的最小熵下界；针对探测效率不匹配和探测器对光源分布敏感问题，该团队提出了一种光源分布监测方法，并在充分考虑有限码长效应的条件下给出了基于组合安全性的码率公式。
该成果量化分析了测量设备不完美性对源无关量子随机数系统的安全性影响，为实现超快实用化的源无关量子随机数发生器提供了解决方案。
图1 包含分布监测模块的源无关量子随机数发生器实验方案图
图2 后脉冲效应对条件最小熵的影响
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http://news.ustc.edu.cn/info/1048/73795.htm
论文链接：
https://doi.org/10.1038/s41534-020-00331-9
中国科大在量子通信领域取得重要进展：首次在自由空间信道实现测量设备无关量子密钥分发实验
近日，中国科学技术大学潘建伟团队首次在国际上实现了基于远距离自由空间信道的测量设备无关量子密钥分发（MDI-QKD）实验。相关成果于2020年12月23日以编辑推荐（Editors' Suggestion）的形式在线发表在《物理评论快报》上，美国物理学会Physics网站以“量子物理保证无线通信安全 ”为题专门对该工作做了报道。
MDI-QKD协议利用双光子干涉技术消除了探测端的所有安全漏洞，无需对测量端的量子设备进行任何安全性假设，被认为是各种量子密钥分发协议中的最佳候选协议之一。然而由于光纤存在固有损耗，量子信号又不能像经典通信那样被放大。根据数据测算，通过1200公里的光纤，即使有每秒百亿发射率的单光子源和完美的探测器，也需要数百万年才能建立一个比特的密钥。
由于外太空几乎真空因而光信号损耗非常小，所以通过卫星的辅助可以极大扩展量子通信距离。近年来，随着“墨子号”量子科学实验卫星的成功，基于卫星平台和地面光纤网相结合的量子通信已成为构建覆盖全球量子通信网络最为可行的手段。
得益于一系列技术突破，实验团队最终在上海城市大气信道中实现了第一个自由空间MDI-QKD实验。两个信道长度分别为7.7 km和11.5 km，通信双方Alice和Bob间距离为19.2 km，该距离也远远超过了地球大气的等效厚度，这意味着本工作也向着基于卫星的MDI-QKD迈出坚实一步。
本工作发展的相关技术为在自由空间进行量子干涉的相关量子实验开辟了道路，如量子中继器、量子网络，以及在大空间尺度中探索量子力学与广义相对论融合等基本问题。
远距离自由空间MDI-QKD实验装置图
详细阅读：
http://news.ustc.edu.cn/info/1048/73794.htm
论文链接：
https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.125.260503
中国科大在最优子集选取的问题研究中取得重要进展
2020年12月16日，中国科学技术大学管理学院王学钦教授团队与美国耶鲁大学公共卫生学院的Heping Zhang教授合作在美国科学院院刊《PNAS》在线发表论文， 针对线性回归模型的基准问题——最优子集选取，提出了一种快速算法。
发现事物间的关系是大部分科学研究的目的，这在统计学中称之为回归分析。尽管线性回归模型被如此广泛的使用，但其中一个很基本的问题：如何在一组变量中选择最优的子模型，尚未解决。这个问题的求解被认为是NP-hard问题。在典型的生物医学研究中会收集到上百个变量，常规的全基因组研究中则涉及到成千上万甚至是百万级别的遗传变异。现有的算法难以在上万级别的实际问题中寻找到最优子集。
为了解决这个问题，王学钦团队利用排序和剪接的思想结合一个新的信息准则发展出一种新的算法，使得算法在有限步内就能得到稳定解；并证明了在一定条件下，依大概率，该算法具有多项式的时间复杂度，而且能够选出最优子集。
算法的计算时间随着变量个数增加的散点图。其中上图是新提出的算法，下图是经典的最优子集选取算法。
详细阅读：
http://news.ustc.edu.cn/info/1055/73222.htm
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41467-020-19174-1
中国科大实现高效的高维量子隐形传态
我校郭光灿院士团队在高维量子通信研究中取得重要进展，该团队李传锋、柳必恒研究组利用六光子系统实验实现了高效的高维量子隐形传态。该成果2020年12月2日发表在国际知名期刊《物理评论快报》上。
量子隐形传态是建立远距离量子网络的关键技术之一。相比二维系统，高维量子网络具有更高的信道容量、更高的安全性等优点，受到人们的广泛关注。为了实现高维量子通信，李传锋、柳必恒等人从2016年开始采用光子的路径自由度编码，从2017年起开始了高维量子隐形传态的实验研究。然而理论研究表明，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。
为了实现高维量子隐形传态，研究组首先巧妙的提出了纠缠辅助的方式，从而解决了资源消耗问题。然后实验上利用主动反馈技术实现路径间的相位锁定，干涉可见度在45小时内保持在0.98的水平，从而利用六光子系统实现了三维的量子隐形传态保真度达到0.596，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。高效的高维量子隐形传态的实现为构建高效的高维量子网络打下坚实的基础。
图1、纠缠辅助的高维量子隐形传态示意图
图2、三维量子隐形传态的实验装置图
详细阅读：
http://news.ustc.edu.cn/info/1048/73685.htm
论文链接：
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.125.230501
中国科大研制各向同性全生物质仿生木材
近日，中国科学技术大学俞书宏院士团队通过深入解析生物质微观结构，提出了一种利用生物质天然纳米结构的全新的生物质表面纳米化策略，基于这种策略构筑了一种可持续新型各向同性仿生木材（“RGI-wood”）。该策略巧妙地利用了木屑等生物质中天然的纤维素纳米纤维，将其暴露在木屑颗粒表面，并使其互相交联从而构筑无需任何粘合剂的高性能人造木材（图1）。相关研究成果于12月12日发表在National Science Review上。
运用这种策略所制备的人造木材在各方向上具有相同的力学强度，且超越了实木材和传统人造板。这种新型人造木材自下而上的制备方式使其在尺寸上将不受限制，大大拓宽了这类木质材料的应用范围。这种结构特征带来了高达170 MPa的各向同性抗弯强度和约10 GPa的弯曲模量，远超天然实木的力学强度。此外，新型人造木材还显示出优异的断裂韧性，极限抗压强度，硬度，抗冲击性，尺寸稳定性以及优于天然木材的阻燃性。作为一种全生物基的环保材料，新型人造木材不仅不含任何粘结剂，还具有远超树脂基材料和传统塑料的力学性能，因此具有非常广泛的应用前景。
此外，这种由纳米纤维构成的网络也为制备木基纳米复合材料提供了一种新途径。基于这种智能人造木材的高导电性，它表现出了出色的电磁屏蔽性能（X波段超过90 dB），可以满足精密电子仪器屏蔽标准的要求。这种智能人造木材还可以在1.75 V低电压下实现自发热，可在5分钟内升至60摄氏度，可有效地确保自加热设备的安全性，同时减少能耗。
这项研究提出了一种生物质颗粒表面纳米化方法和策略，可用于构筑全生物质，不含任何粘结剂，具有优异的力学性能，可复合的新型人造木材，将进一步推动人造板行业向绿色、环保和低碳方向发展。
图1.基于自下而上微米/纳米结构设计制备各向同性木材（RGI-wood）的示意图。（a）天然木屑图片；（b）表面蚀刻后的木屑颗粒；（c）表面纳米化的木屑（SNWP）结构示意图；（d）Ca2+和氢键诱导的SNWP的组装过程；（e）通过热压制备RGI-wood。
图2.各向同性仿生木材与天然木材的性能对比。（a）弯曲强度对比；（b）压缩强度对比；（c）各向同性仿生木材具有远超常用聚合物材料的强度和模量；（d）与天然木材的燃烧热释放率对比；（e）与天然木材的燃烧失重对比；（f）与天然木材的燃烧发烟量对比。
详细阅读：
http://news.ustc.edu.cn/info/1048/73622.htm
论文链接：
https://doi.org/10.1093/nsr/nwaa230
金属氧化物半导体基等离激元学研究取得突破性进展
最近，中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家研究中心罗毅教授、张群教授、江俊教授研究团队在基于金属氧化物半导体材料的等离激元学研究方面取得突破性进展，采用新发展的电子-质子协同掺氢策略，实现了类金属的超高自由载流子浓度，从而获得强且可调的等离激元效应。研究成果发表于《先进材料》。
在传统贵金属（金、银等）之外发掘出具有高性能等离激元效应的非金属新材料，是当前等离激元学基础研究及应用研发的一个热点与难点。基于该研究团队新近发展的、理论模拟计算指导下的电子-质子协同掺氢策略，在本工作中研究人员采用简便易行的金属-酸溶液原位联合处理方法实现了“本征半导体→准金属”的可控相变，从而突破性地大幅提升了该材料中的自由载流子浓度。研究表明，氢化后的MoO3材料中自由电子浓度与贵金属相当。研究人员进一步揭示出该协同掺氢所导致的准金属能带结构及相应的等离激元动力学性质。
这项工作创新性地发展出一种调控非金属半导体材料系统中自由载流子浓度的一般性策略，不仅低成本地实现了具有强且可调的等离激元效应的准金属相材料，而且显著地拓宽了半导体材料物化性质的可变范围，为新型金属氧化物功能材料的设计提供了崭新的思路和指导。
