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                2019:研究与进展

                发布时间:2020-11-18 阅读次数:4419

                量子密钥分发实际安全性研究 量子纠缠态自检验


                中国科学院院士、中国科学技术大学教授郭光灿团队在量子密码安全领域取得新进展。该团队的王双、银振强、陈巍、韩正甫等人针对量子密钥分发系统中单光子探测器实际特性展开研究,提出了包含后脉冲效应的系统优化模型,并利用雪崩过渡区非线性特性实现量子黑客攻击,为量子密钥分发系统的实际安全性分析和测评提供了新思路和技术手段。这两项成果同期发表在近期的Physical Review Applied上。

                  


                随着量子密钥分发系统速率不断提高,单光子探测器的后脉冲效应将显著增强。后脉冲是指探测器中的雪崩光电二极管在发生雪崩之后,一段时间内随机产生二次雪崩的现象。过去忽略后脉冲效应的模型需要修正:一方面后脉冲会在系统中引入更多的错误响应,另一方面系统参数的优化可有效提高安全密钥生成率。因此,韩正甫研究组基于自身多年来对探测器的深入研究[J. Lightwave. Technol. 34, 3610 (2016); J. Lightwave. Technol. 35, 4996 (2017)],利用后脉冲过程的非马尔科夫特性,提出了新的模型。该模型将高阶后脉冲考虑在内,给出了新的计数率和误码率的计算方法,显著提升了高速实用化系统的核心性能指标。  


                雪崩光电二极管探测器的非完美性会带来安全性漏洞,是实际系统安全性测评的重要内容。韩正甫研究组发现了门控模式单光子探测器的一种潜在漏洞,提出并实现了雪崩过渡区攻击方法。在门控信号从开启到关闭的过渡阶段,探测输出具有很强的非线性特性。通过控制攻击信号的光强和在过渡区的位置,量子黑客可以有效控制该探测器的响应,获取全部密钥信息而不被感知。该攻击方法为实际系统的安全性测评和标准化提供了技术储备。



                不久之前,郭光灿院士团队在量子信息领域研究中同时取得新进展。该团队李传锋、陈耕等人在测量设备不可信条件下实验获知了未知量子纠缠态保真度信息,首次在国际上实现了量子纠缠态的自检验。该研究成果于近日发表在国际期刊《物理评论快报》上。


                量子纠缠是量子信息领域的重要资源。学术界通常采用量子态层析的办法来测定量子纠缠态,这种方法类似于医院中的CT扫描。通过量子态层析可以重构出纠缠态的形式,进而获得纠缠态的保真度等重要信息。然而量子态层析方法依赖于测量设备的准确性和可靠性,不能用于对安全性有要求的量子信息任务。为解决这一问题,科学家们提出了基于贝尔不等式违背的纠缠度量方法。对于两体两维纠缠态来说,贝尔不等式的最大违背可以达到2根号2。一个逆向思维理论就是,如果在贝尔不等式实验中观察到2根号2的违背,可以认为测试的量子态就是最大纠缠态的等价形式,这被称为纠缠态的自检验。更重要的是,贝尔不等式的检验无需精确知道双方测量设备的测量基,只需任意改变设置获得经典的关联概率。将这种理论用于实际纠缠态自检验的一个关键问题是,当观察到的贝尔不等式违背值小于2根号2时,观察者对未知态的纠缠特性可以做出什么样的描述。这种描述可以定量为相对于最大纠缠态的保真度的最低可能值,即以观察到的实际违背值为自变量的保真度下限。这个下限越优,可以给出的保真度越高,也就具有更好的鲁棒性。



                科学界针对不同形式的量子纠缠态自检验,已经做了大量的理论工作,然而相关的实验工作一直是空白。李传锋、陈耕等人巧妙设计并实验实现了两比特和三比特量子纠缠态自检验实验,针对不同形式的量子纠缠态,在测量设备无关情形下获得了未知量子态的保真度信息,并和量子态层析的结果进行比对,证实了自检验结果的可靠性。这是国际上首个具有最优鲁棒性的纠缠态自检验实验,为把自检验推广应用于各种量子信息过程打下重要基础。


                来源:中国科学技术大学



                光学超透镜研究


                近期,中国科学院西安光学精密机械研究所瞬态光学与光子技术国家重点实验室微纳光子集成课题组利用单层超透镜(metalens)实现了左、右旋圆偏振光在三维空间的分离聚焦,打破了以往自旋相关光束聚焦的对称性,超越了传统几何光学透镜的光场聚焦能力,对光学成像研究具有重要意义。


                传统几何光学透镜仅是通过玻璃厚度的变化来调节入射光相位实现聚焦,无法完成矢量光场(如偏振、自旋等)的操控。超透镜是一种二维平面透镜结构,其体积极小,重量轻,易于集成,可实现对入射光振幅、相位、偏振等参量的灵活调控,在超分辨显微成像、全息光学、消色差透镜等方面有重要应用。该研究利用构成超透镜的纳米天线动力学相位与Pancharatnam-Berry几何相位结合的方法,通过巧妙设计超透镜上纳米天线几何结构与空间取向,在单层超透镜上同时实现了左、右旋圆偏振光相位的独立操控,在横向和径向完成了不同自旋态光束的聚焦,提升了超透镜的光束操控及聚焦能力,具有结构紧凑、灵活性强等优点,能够满足光学系统及器件小型化功能多样化的要求。


                该研究相关成果发表在《先进光学材料》(Advanced Optical Materials)上。


                来源:中国科学院西安光学精密机械研究所 




                三维多孔压阻材料制备及类皮肤柔性压力传感器



                近期,清华大学冯雪教授课题组报道了一种通过静电纺丝和高温碳化制备的一种三维多孔碳纳米纤维网状材料,其不仅具有优异的力学性能和压阻特性外,还同时兼备超轻、疏水等特性,拓宽了此类材料在柔性类皮肤传感器中的应用。利用此材料制备的压力传感器具有高的压力灵敏性,可以探测与人体压力相关的生理参数,例如脉搏、发声、呼吸和关节活动。


                通过静电纺丝直接生成三维絮状物,然后高温碳化成三维多孔压阻材料,打破了静电纺丝成薄膜的局限思维,得到的材料具有优异的力学性能,展现出良好的柔性可以实现弯曲和扭转,并且能达到95%的压缩会弹性;优异的压阻特性使其能够作为压力传感器使用,异面电极引线可以实现高达1.41kPa-1的压力灵敏性,远高于同类三维压阻材料的灵敏性;同面电极引线方式也能实现较高的灵敏性,可以减少在其作为压力传感器循环工作时皮肤和电极接触产生的破坏。除了优异的力学性能和压阻特性之外,同时还兼备超轻性、疏水性、低的导热系数,拓宽其作为电子皮肤的应用范围,例如疏水性可以保证器件在湿润环境下工作,超轻性可以使传感器可以探测到气流吹动。利用此材料设计了一种类皮肤柔性压力传感器,通过半浸润碳纳米纤维泡沫,使其一半露出一半浸润在Ecoflex中,就好像人体的皮肤,露出部分相当于人体汗毛可以感知到轻微压力和气流吹动,浸润的部分类似于人体皮肤使器件更加牢固稳定,引线电极类似于人体神经用于传输信号;同时还提出了一种用于侧向力方向识别的阵列传感器设计思路。


                利用该材料展现出的优异力学性能和压阻特性制备出了具有高压力灵敏性的类皮肤压力传感器,可以探测微小变形和压力,如贴在手臂桡动脉可以探测脉搏、贴在鼻孔下可以监测呼吸、贴在喉咙处可以探测发声时的微小振动从而实现声音识别功能;同时还能探测比较大的变形,如手指关节处的弯曲活动等。此论文研究对生理健康监测具有重要意义。


                该成果以“Fabrication of highly pressure-sensitive, hydrophobic, and flexible 3D carbon nanofiber networks by electrospinning for human physiological signal monitoring”为题在线发表在《Nanoscale》期刊上。


                来源:高分子科学



                基于聚集诱导发光分子和近红外染料的荧光共振能量转移纳米粒子及其双光子成像

                于聚集诱导发光分子和近红外染料的荧光共振能量转移纳米粒子及其双光子像

                近红外光(700-900 nm)发射的荧光探针因具有较低的光学损伤、较深的组织穿透深度和较小的生物组织自荧光影响等优势,在癌症诊疗领域显示了重要的应用潜力。双光子荧光显微(TPFM)成像技术是实现深组织成像的有效方法,同时,由于双光子荧光的非线性激发模式(只有光束聚焦处的粒子才会被激发,而激发光之外的生物样品不会被激发),在很大程度上降低了荧光探针的光漂白作用,提高了成像的空间分辨率。


                基于此,吉林大学化学学院超分子结构与材料国家重点实验室田文晶教授课题组与浙江大学光电科学与工程学院现代光学仪器国家重点实验室钱骏教授课题组合作,利用两亲性聚合物PSMA对红光聚集诱导发光(AIE)分子TB和近红外荧光染料NIR775进行共包覆,制备了近红外发射的荧光共振能量转移纳米粒子PSMA@TB/NIR775 (图1, 图2)。该纳米粒子具有较强的近红外(780 nm)窄发射荧光(图3),较好的双光子吸收性质,以及很好的单分散性、稳定性和较低的细胞毒性(图4)。


                在1040 nm飞秒激光的激发下,得到了TB分子680 nm的发射峰以及通过荧光共振能量转移被激发的NIR775的780 nm的发射峰(图5)。将PSMA@TB/NIR775纳米粒子用于小鼠脑血管的双光子成像,得到了较好的近红外成像效果,成像深度为150 μm (图6)。


                该工作即将发表于Chinese Journal of Polymer Science 2019年第4期 "AIE Polymer”专辑。