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中國科大提出并實現(xiàn)

誤差容忍高安全量子密鑰分發(fā)

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我校郭光燦院士領導的中國科學院量子信息重點實驗室在高安全量子密鑰分發(fā)的實用化研究方面取得重要進展。該實驗室的韓正甫教授及其合作者銀振強、王雙、陳巍等提出了兼具高穩(wěn)定性和高安全性的誤差容忍測量設備無關量子密鑰分發(fā)協(xié)議，并從安全性分析和實驗驗證兩方面證實了該協(xié)議對源端非理想特性具有極強的容忍能力，有力地推動了新一代量子密鑰分發(fā)技術的實用化進程。相關研究成果于8月3日在線發(fā)表在國際學術知名期刊《Optica》上[Optica9,886-893 (2022)]。

為推進新一代量子密鑰分發(fā)技術的實際應用，韓正甫團隊通過將源端常見的非理想特性納入安全性證明框架中，提出了兼具高穩(wěn)定性和高安全性的測量設備無關協(xié)議——誤差容忍測量設備無關協(xié)議。該協(xié)議在免除了對探測端所有安全假設的同時，還免除了源端的“單光子態(tài)不可區(qū)分假設”和“純態(tài)假設”。由于免除了這兩條假設，測量設備無關協(xié)議對量子態(tài)調(diào)制中的信號畸變和噪聲具有極強的容忍能力。經(jīng)過嚴格的安全性分析，該團隊證明了這些源端設備的非理想特性不會破壞測量設備無關協(xié)議的安全性，也不會降低系統(tǒng)的安全密鑰生成速率，因此誤差容忍協(xié)議兼具高安全和高穩(wěn)定兩大特性。

韓正甫團隊還進一步搭建測量設備無關系統(tǒng)，對提出的誤差容忍協(xié)議進行實驗驗證。團隊首先通過自主設計的Sagnac-AMZI編碼器和四強度誘騙態(tài)調(diào)制裝置實現(xiàn)了原始測量設備無關協(xié)議，并通過該系統(tǒng)觀察測量調(diào)制信號具有不同誤差時原始協(xié)議性能的變化。隨后，團隊使用同一系統(tǒng)執(zhí)行誤差容忍測量設備無關量子密鑰分發(fā)協(xié)議，在不對選基信號進行預先校準的情況下實現(xiàn)了幾乎恒定速率的安全密鑰分發(fā)。

通過前后性能對比，證明了誤差容忍測量設備無關協(xié)議的高穩(wěn)定特性，以及對于實際應用的重要價值。由于實際量子密鑰系統(tǒng)往往需要工作在復雜快變的環(huán)境中，很難實現(xiàn)源端的精確實時校準，韓正甫團隊的這項成果極大地推進了測量設備無關量子密鑰分發(fā)技術的實用化進程，也為量子密鑰分發(fā)技術真正走向無條件安全奠定了理論和實驗基礎。

誤差容忍測量設備無關量子密鑰分發(fā)實驗結(jié)構(gòu)圖。

該工作的共同第一作者為中科院量子信息重點實驗室博士后盧奉宇、博士生王澤浩。銀振強教授、王雙教授是該工作的共同通訊作者。這項工作得到了科技部、國家自然科學基金委、中國博士后科學基金會、中國科學院和安徽省的資助。

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https://news.ustc.edu.cn/info/1055/80077.htm

文章鏈接：https://doi.org/10.1364/OPTICA.454228

中國科大實現(xiàn)高頻微波磁場的

高靈敏度量子傳感

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中國科學技術大學中科院微觀磁共振重點實驗室杜江峰、石發(fā)展、孔飛等人在微波磁場測量領域取得重要進展，基于金剛石氮-空位（Nitrogen-Vacancy, NV）色心量子傳感器實現(xiàn)了皮特斯拉水平的高靈敏微波磁場測量。該項研究成果以“Picotesla magnetometry of microwave fields with diamond sensors”為題發(fā)表在《Science Advances》[Sci. Adv. 8, eabq8158 (2022)]上。

測量方法示意圖。上圖為NV色心對共振微波的吸收。

下圖為連續(xù)外差探測方法。

提升靈敏度最直接的途徑是利用大量NV色心開展并行測量。由于單個NV色心的尺寸只有原子級，即使是毫米級芯片大小的金剛石中也可以集成數(shù)以億萬計的NV色心。但是隨著尺寸的增加，對所有的NV色心同步地進行量子調(diào)控變得更加困難。為此，本工作研究人員提出一種無需復雜量子調(diào)控的測量方案，可以大幅地提高金剛石中NV色心的利用率。其基本原理是NV色心在激光的連續(xù)激發(fā)下會持續(xù)產(chǎn)生熒光。當空間中存在一個與NV色心能級共振的弱微波時，熒光亮度會下降，下降的幅度與微波幅度的平方成正比，是一個二階小量。為了提升NV色心對微波的響應，研究團隊借鑒傳統(tǒng)外差測量的思路，提出了連續(xù)外差微波探測方法：引入一個稍強的輔助微波與被測微波干涉，產(chǎn)生拍頻振蕩，相應的NV熒光也會產(chǎn)生頻率為拍頻的振蕩（見圖1），其振幅與待測微波幅度成正比。相當于用輔助微波“放大”了待測微波。利用該方法，研究團隊在體積為0.04mm3包含2.8*1013個NV色心的金剛石量子傳感器上成功實現(xiàn)了靈敏度為8.9pT Hz-1/2的微波磁場測量，相比此前該體系實現(xiàn)的亞微特斯拉指標水平，測量靈敏度提升了近十萬倍。

對弱微波的測量。左圖為信號放大示意圖。

右圖為實測強度為6.81pT的微波場，測量時間1000秒，信噪比為24.2，對應測量靈敏度為8.9pT Hz-1/2。

該方法避免了復雜的同步量子操控，可以直接推廣到包含更多NV色心的更大體積的金剛石量子傳感器上，未來有望將測量靈敏度進一步提升至100 fT Hz-1/2量級甚至更高。由于省去了與量子操控配套的硬件裝置，該方案為金剛石量子傳感系統(tǒng)的小型化和芯片化奠定基礎。同時也向著金剛石量子傳感器在無線通信、磁共振檢測等領域的實用化邁出了重要的一步。

中科院微觀磁共振重點實驗室博士研究生王哲成為該論文的第一作者，杜江峰院士、石發(fā)展教授和孔飛特任研究員為共同通訊作者。該研究得到了國家自然科學基金委、科技部、中科院和安徽省的資助。

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https://news.ustc.edu.cn/info/1055/80078.htm

文章鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abq8158

中國科大在電催化中性水氧化

研究中取得新進展

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近日，中國科學技術大學俞書宏院士團隊發(fā)展了一種高比表面積鈣鈦礦氧化物納米管的通用合成方法，實現(xiàn)了多達13種鈣鈦礦材料的普適合成。通過系統(tǒng)篩選系列鈣鈦礦材料在中性電解液下的催化活性，發(fā)現(xiàn)了Sm摻雜的LaCoO3催化劑具有最優(yōu)的OER活性，并確立了金屬-氧共價鍵強度作為一種有效的中性電催化OER的活性描述符號。相關研究成果以“General Synthesis of Tube-like Nanostructured Perovskite Oxides with Tunable Transition Metal–Oxygen Covalency for Efficient Water Electrooxidation in Neutral Media”為題，近期發(fā)表在《美國化學會志》上（J. Am. Chem. Soc.2022, 144,13163–13173）。論文的共同第一作者是余自友博士、段玉博士和孔源博士。

研究人員以碳包覆的碲（Te）納米線作為模板，通過水熱過程及后續(xù)退火處理，合成了具有多孔結(jié)構(gòu)的LaCoO3納米管材料（圖1）。進一步對LaCoO3進行A位點摻雜（A位點包括Ce、Pr、Nd、Sm或Gd），B位點摻雜（B位點包括Mn、Fe、Ni、Cu或Zn），及A/B位點雙摻雜（A/B位點包括Pr/Ni或Sm/Ni)，實現(xiàn)了多達13種鈣鈦礦氧化物納米管材料的通用合成。系列鈦礦氧化物納米管材料具有高的BET比表面積，為30~48 m2/g，遠遠大于通過傳統(tǒng)固相方法合成的鈣鈦礦材料（6 m2/g），以及大多數(shù)文獻報道的鈣鈦礦材料。通過多重表征手段，確定了元素的均勻摻雜。態(tài)密度計算結(jié)果表明，摻雜可以帶來LaCoO3電子結(jié)構(gòu)的變化，有助于調(diào)節(jié)OER過程對反應中間體的吸附。

系列鈣鈦礦氧化物納米管材料的通用合成方法示意圖。

中性電解液條件下（1 M PBS，pH 7）的OER測試顯示，Sm-LaCoO3催化劑具有最大的OER表觀電流密度和最小的過電勢。其在10 mA cm-2電流密度下僅需要530 mV的過電勢，優(yōu)于Ni-LaCoO3催化劑（582 mV）、Sm/Ni-LaCoO3催化劑（579 mV）、以及商業(yè)RuO2催化劑（608mV）。為了排除比表面積的影響，將OER表觀活性轉(zhuǎn)化為OER比活性，可以真實地反映催化劑的本征活性。結(jié)果表明，Sm-LaCoO3催化劑仍然具有最高的本征活性。在1.75 V的電壓下，Sm-LaCoO3的比活性為0.078mA cm-2電流，分別為Ni-LaCoO3、Sm/Ni-LaCoO3、LaCoO3、體相LaCoO3和RuO2催化劑的1.5、1.6、3.5、5.2和1.6倍。為了探究催化劑的不同OER活性的起源，研究人員對不同鈣鈦礦材料的B-O共價鍵進行了研究（圖2a）。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，系列鈣鈦礦納米管材料的中性OER活性，與材料的B-O共價鍵呈現(xiàn)火山圖關系，因此可以確立金屬-氧共價鍵強度作為一種有效的中性電催化OER的活性描述符號（圖2b）。位于火山圖頂點位置的Sm-LaCoO3催化劑，由于具有既不強也不弱的B-O共價鍵，因此表現(xiàn)出最優(yōu)的OER活性。進一步的DFT計算顯示，Sm-LaCoO3催化劑具有最低的理論OER過電勢（圖2c）。