我校郭光燦院士領(lǐng)導(dǎo)的中國科學(xué)院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在高安全量子密鑰分發(fā)的實(shí)用化研究方面取得重要進(jìn)展。該實(shí)驗(yàn)室的韓正甫教授及其合作者銀振強(qiáng)、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(shè)備無關(guān)量子密鑰分發(fā)協(xié)議，并從安全性分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證兩方面證實(shí)了該協(xié)議對源端非理想特性具有極強(qiáng)的容忍能力，有力地推動了新一代量子密鑰分發(fā)技術(shù)的實(shí)用化進(jìn)程。相關(guān)研究成果于8月3日在線發(fā)表在國際學(xué)術(shù)知名期刊《Optica》上[Optica9,886-893 (2022)]。

為推進(jìn)新一代量子密鑰分發(fā)技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用，韓正甫團(tuán)隊(duì)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(shè)備無關(guān)協(xié)議——誤差容忍測量設(shè)備無關(guān)協(xié)議。該協(xié)議在免除了對探測端所有安全假設(shè)的同時(shí)，還免除了源端的“單光子態(tài)不可區(qū)分假設(shè)”和“純態(tài)假設(shè)”。由于免除了這兩條假設(shè)，測量設(shè)備無關(guān)協(xié)議對量子態(tài)調(diào)制中的信號畸變和噪聲具有極強(qiáng)的容忍能力。經(jīng)過嚴(yán)格的安全性分析，該團(tuán)隊(duì)證明了這些源端設(shè)備的非理想特性不會破壞測量設(shè)備無關(guān)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(tuán)隊(duì)還進(jìn)一步搭建測量設(shè)備無關(guān)系統(tǒng)，對提出的誤差容忍協(xié)議進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。團(tuán)隊(duì)首先通過自主設(shè)計(jì)的Sagnac-AMZI編碼器和四強(qiáng)度誘騙態(tài)調(diào)制裝置實(shí)現(xiàn)了原始測量設(shè)備無關(guān)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(shí)原始協(xié)議性能的變化。隨后，團(tuán)隊(duì)使用同一系統(tǒng)執(zhí)行誤差容忍測量設(shè)備無關(guān)量子密鑰分發(fā)協(xié)議，在不對選基信號進(jìn)行預(yù)先校準(zhǔn)的情況下實(shí)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(shè)備無關(guān)協(xié)議的高穩(wěn)定特性，以及對于實(shí)際應(yīng)用的重要價(jià)值。由于實(shí)際量子密鑰系統(tǒng)往往需要工作在復(fù)雜快變的環(huán)境中，很難實(shí)現(xiàn)源端的精確實(shí)時(shí)校準(zhǔn)，韓正甫團(tuán)隊(duì)的這項(xiàng)成果極大地推進(jìn)了測量設(shè)備無關(guān)量子密鑰分發(fā)技術(shù)的實(shí)用化進(jìn)程，也為量子密鑰分發(fā)技術(shù)真正走向無條件安全奠定了理論和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

誤差容忍測量設(shè)備無關(guān)量子密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室博士后盧奉宇、博士生王澤浩。銀振強(qiáng)教授、王雙教授是該工作的共同通訊作者。這項(xiàng)工作得到了科技部、國家自然科學(xué)基金委、中國博士后科學(xué)基金會、中國科學(xué)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

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)中科院微觀磁共振重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室杜江峰、石發(fā)展、孔飛等人在微波磁場測量領(lǐng)域取得重要進(jìn)展，基于金剛石氮-空位（Nitrogen-Vacancy, NV）色心量子傳感器實(shí)現(xiàn)了皮特斯拉水平的高靈敏微波磁場測量。該項(xiàng)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(gè)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(jì)的NV色心。但是隨著尺寸的增加，對所有的NV色心同步地進(jìn)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(fù)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(dāng)空間中存在一個(gè)與NV色心能級共振的弱微波時(shí)，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(gè)二階小量。為了提升NV色心對微波的響應(yīng)，研究團(tuán)隊(duì)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(gè)稍強(qiáng)的輔助微波與被測微波干涉，產(chǎn)生拍頻振蕩，相應(yīng)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(dāng)于用輔助微波“放大”了待測微波。利用該方法，研究團(tuán)隊(duì)在體積為0.04mm3包含2.8*1013個(gè)NV色心的金剛石量子傳感器上成功實(shí)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(shí)現(xiàn)的亞微特斯拉指標(biāo)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(shí)測強(qiáng)度為6.81pT的微波場，測量時(shí)間1000秒，信噪比為24.2，對應(yīng)測量靈敏度為8.9pT Hz-1/2。

該方法避免了復(fù)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(jìn)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(chǔ)。同時(shí)也向著金剛石量子傳感器在無線通信、磁共振檢測等領(lǐng)域的實(shí)用化邁出了重要的一步。

中科院微觀磁共振重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(xué)基金委、科技部、中科院和安徽省的資助。

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

近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)俞書宏院士團(tuán)隊(duì)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(shí)現(xiàn)了多達(dá)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(jià)鍵強(qiáng)度作為一種有效的中性電催化OER的活性描述符號。相關(guān)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(xué)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(jìn)一步對LaCoO3進(jìn)行A位點(diǎn)摻雜（A位點(diǎn)包括Ce、Pr、Nd、Sm或Gd），B位點(diǎn)摻雜（B位點(diǎn)包括Mn、Fe、Ni、Cu或Zn），及A/B位點(diǎn)雙摻雜（A/B位點(diǎn)包括Pr/Ni或Sm/Ni)，實(shí)現(xiàn)了多達(dá)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(yuǎn)遠(yuǎn)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(xiàn)報(bào)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(jì)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(yīng)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(shí)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(jià)鍵進(jìn)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O(shè)ER活性，與材料的B-O共價(jià)鍵呈現(xiàn)火山圖關(guān)系，因此可以確立金屬-氧共價(jià)鍵強(qiáng)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(diǎn)位置的Sm-LaCoO3催化劑，由于具有既不強(qiáng)也不弱的B-O共價(jià)鍵，因此表現(xiàn)出最優(yōu)的OER活性。進(jìn)一步的DFT計(jì)算顯示，Sm-LaCoO3催化劑具有最低的理論OER過電勢（圖2c）。

（a）系列鈣鈦礦材料的氧的XAS-K邊曲線；（b）B-O共價(jià)鍵與OER活性的火山圖關(guān)系；（c）DFT理論計(jì)算。

該研究建立了一種制備高比表面積鈣鈦礦氧化物材料的新方法，確立了一種有效的中性O(shè)ER活性描述符號，為今后設(shè)計(jì)更加高效的中性O(shè)ER催化劑提供了嶄新的思路。

該項(xiàng)研究得到國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目、國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目、安徽省科技重大專項(xiàng)、安徽省高校協(xié)同創(chuàng)新項(xiàng)目的資助。

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文章鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.2c02989

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