中国科大最新科研成果抢先看！-福建高考早知道

中国科大提出并实现

误差容忍高安全量子密钥分发

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我校郭光灿院士领导的中国科学院量子信息重点实验室在高安全量子密钥分发的实用化研究方面取得重要进展。该实验室的韩正甫教授及其合作者银振强、王双、陈巍等提出了兼具高稳定性和高安全性的误差容忍测量设备无关量子密钥分发协议，并从安全性分析和实验验证两方面证实了该协议对源端非理想特性具有极强的容忍能力，有力地推动了新一代量子密钥分发技术的实用化进程。相关研究成果于8月3日在线发表在国际学术知名期刊《Optica》上[Optica9,886-893 (2022)]。

为推进新一代量子密钥分发技术的实际应用，韩正甫团队通过将源端常见的非理想特性纳入安全性证明框架中，提出了兼具高稳定性和高安全性的测量设备无关协议——误差容忍测量设备无关协议。该协议在免除了对探测端所有安全假设的同时，还免除了源端的“单光子态不可区分假设”和“纯态假设”。由于免除了这两条假设，测量设备无关协议对量子态调制中的信号畸变和噪声具有极强的容忍能力。经过严格的安全性分析，该团队证明了这些源端设备的非理想特性不会破坏测量设备无关协议的安全性，也不会降低系统的安全密钥生成速率，因此误差容忍协议兼具高安全和高稳定两大特性。

韩正甫团队还进一步搭建测量设备无关系统，对提出的误差容忍协议进行实验验证。团队首先通过自主设计的Sagnac-AMZI编码器和四强度诱骗态调制装置实现了原始测量设备无关协议，并通过该系统观察测量调制信号具有不同误差时原始协议性能的变化。随后，团队使用同一系统执行误差容忍测量设备无关量子密钥分发协议，在不对选基信号进行预先校准的情况下实现了几乎恒定速率的安全密钥分发。

通过前后性能对比，证明了误差容忍测量设备无关协议的高稳定特性，以及对于实际应用的重要价值。由于实际量子密钥系统往往需要工作在复杂快变的环境中，很难实现源端的精确实时校准，韩正甫团队的这项成果极大地推进了测量设备无关量子密钥分发技术的实用化进程，也为量子密钥分发技术真正走向无条件安全奠定了理论和实验基础。

误差容忍测量设备无关量子密钥分发实验结构图。

该工作的共同第一作者为中科院量子信息重点实验室博士后卢奉宇、博士生王泽浩。银振强教授、王双教授是该工作的共同通讯作者。这项工作得到了科技部、国家自然科学基金委、中国博士后科学基金会、中国科学院和安徽省的资助。

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

文章链接：https://doi.org/10.1364/OPTICA.454228

中国科大实现高频微波磁场的

高灵敏度量子传感

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中国科学技术大学中科院微观磁共振重点实验室杜江峰、石发展、孔飞等人在微波磁场测量领域取得重要进展，基于金刚石氮-空位（Nitrogen-Vacancy, NV）色心量子传感器实现了皮特斯拉水平的高灵敏微波磁场测量。该项研究成果以“Picotesla magnetometry of microwave fields with diamond sensors”为题发表在《Science Advances》[Sci. Adv. 8, eabq8158 (2022)]上。

测量方法示意图。上图为NV色心对共振微波的吸收。

下图为连续外差探测方法。

提升灵敏度最直接的途径是利用大量NV色心开展并行测量。由于单个NV色心的尺寸只有原子级，即使是毫米级芯片大小的金刚石中也可以集成数以亿万计的NV色心。但是随着尺寸的增加，对所有的NV色心同步地进行量子调控变得更加困难。为此，本工作研究人员提出一种无需复杂量子调控的测量方案，可以大幅地提高金刚石中NV色心的利用率。其基本原理是NV色心在激光的连续激发下会持续产生荧光。当空间中存在一个与NV色心能级共振的弱微波时，荧光亮度会下降，下降的幅度与微波幅度的平方成正比，是一个二阶小量。为了提升NV色心对微波的响应，研究团队借鉴传统外差测量的思路，提出了连续外差微波探测方法：引入一个稍强的辅助微波与被测微波干涉，产生拍频振荡，相应的NV荧光也会产生频率为拍频的振荡（见图1），其振幅与待测微波幅度成正比。相当于用辅助微波“放大”了待测微波。利用该方法，研究团队在体积为0.04mm3包含2.8*1013个NV色心的金刚石量子传感器上成功实现了灵敏度为8.9pT Hz-1/2的微波磁场测量，相比此前该体系实现的亚微特斯拉指标水平，测量灵敏度提升了近十万倍。

对弱微波的测量。左图为信号放大示意图。

右图为实测强度为6.81pT的微波场，测量时间1000秒，信噪比为24.2，对应测量灵敏度为8.9pT Hz-1/2。

该方法避免了复杂的同步量子操控，可以直接推广到包含更多NV色心的更大体积的金刚石量子传感器上，未来有望将测量灵敏度进一步提升至100 fT Hz-1/2量级甚至更高。由于省去了与量子操控配套的硬件装置，该方案为金刚石量子传感系统的小型化和芯片化奠定基础。同时也向着金刚石量子传感器在无线通信、磁共振检测等领域的实用化迈出了重要的一步。

中科院微观磁共振重点实验室博士研究生王哲成为该论文的第一作者，杜江峰院士、石发展教授和孔飞特任研究员为共同通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金委、科技部、中科院和安徽省的资助。

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

文章链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abq8158

中国科大在电催化中性水氧化

研究中取得新进展

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近日，中国科学技术大学俞书宏院士团队发展了一种高比表面积钙钛矿氧化物纳米管的通用合成方法，实现了多达13种钙钛矿材料的普适合成。通过系统筛选系列钙钛矿材料在中性电解液下的催化活性，发现了Sm掺杂的LaCoO3催化剂具有最优的OER活性，并确立了金属-氧共价键强度作为一种有效的中性电催化OER的活性描述符号。相关研究成果以“General Synthesis of Tube-like Nanostructured Perovskite Oxides with Tunable Transition Metal–Oxygen Covalency for Efficient Water Electrooxidation in Neutral Media”为题，近期发表在《美国化学会志》上（J. Am. Chem. Soc.2022, 144,13163–13173）。论文的共同第一作者是余自友博士、段玉博士和孔源博士。

研究人员以碳包覆的碲（Te）纳米线作为模板，通过水热过程及后续退火处理，合成了具有多孔结构的LaCoO3纳米管材料（图1）。进一步对LaCoO3进行A位点掺杂（A位点包括Ce、Pr、Nd、Sm或Gd），B位点掺杂（B位点包括Mn、Fe、Ni、Cu或Zn），及A/B位点双掺杂（A/B位点包括Pr/Ni或Sm/Ni)，实现了多达13种钙钛矿氧化物纳米管材料的通用合成。系列钛矿氧化物纳米管材料具有高的BET比表面积，为30~48 m2/g，远远大于通过传统固相方法合成的钙钛矿材料（6 m2/g），以及大多数文献报道的钙钛矿材料。通过多重表征手段，确定了元素的均匀掺杂。态密度计算结果表明，掺杂可以带来LaCoO3电子结构的变化，有助于调节OER过程对反应中间体的吸附。

系列钙钛矿氧化物纳米管材料的通用合成方法示意图。

中性电解液条件下（1 M PBS，pH 7）的OER测试显示，Sm-LaCoO3催化剂具有最大的OER表观电流密度和最小的过电势。其在10 mA cm-2电流密度下仅需要530 mV的过电势，优于Ni-LaCoO3催化剂（582 mV）、Sm/Ni-LaCoO3催化剂（579 mV）、以及商业RuO2催化剂（608mV）。为了排除比表面积的影响，将OER表观活性转化为OER比活性，可以真实地反映催化剂的本征活性。结果表明，Sm-LaCoO3催化剂仍然具有最高的本征活性。在1.75 V的电压下，Sm-LaCoO3的比活性为0.078mA cm-2电流，分别为Ni-LaCoO3、Sm/Ni-LaCoO3、LaCoO3、体相LaCoO3和RuO2催化剂的1.5、1.6、3.5、5.2和1.6倍。为了探究催化剂的不同OER活性的起源，研究人员对不同钙钛矿材料的B-O共价键进行了研究（图2a）。结果发现，系列钙钛矿纳米管材料的中性OER活性，与材料的B-O共价键呈现火山图关系，因此可以确立金属-氧共价键强度作为一种有效的中性电催化OER的活性描述符号（图2b）。位于火山图顶点位置的Sm-LaCoO3催化剂，由于具有既不强也不弱的B-O共价键，因此表现出最优的OER活性。进一步的DFT计算显示，Sm-LaCoO3催化剂具有最低的理论OER过电势（图2c）。