1. 印度和意大利签署科技合作协议，旨在深化量子技术、人工智能与生物技术等关键领域的科研合作

李晓萌

近日，印度与意大利近日签署新的谅解备忘录，旨在深化量子技术、人工智能与生物技术等关键领域的科研合作，标志着两国在新兴科技战略上的协同性正不断增强。 该协议在新德里举行的高层会谈中正式签署，意大利大学与研究部部长Anna Maria Bernini与印度科技部部长Jitendra Singh共同出席。此次会晤是落实两国《2025-2029联合战略行动计划》的最新进展，该计划由莫迪总理与梅洛尼总理在巴西G20峰会期间首次提出。 会后发布的联合声明特别强调了这份新备忘录。声明指出，双方将实施《2025-2027科学技术合作执行计划》，该计划将支持至少10个联合流动研究项目和10个重大合作研究计划，研究领域涵盖大数据、人工智能、生物技术及数字化等多个方向。 联合声明显示，在先前合作框架下，印意两国已共同执行了150余个科研项目。此次续签的合作协议将在既有成果基础上，通过整合新兴技术与发挥两国产学研优势，进一步深化科技伙伴关系。 两国政府强调，科技合作是印意全面战略关系的核心支柱。声明列举了双方在传染病防治、绿氢技术、可再生能源、文化遗产保护技术及蓝色经济等领域的既有合作成果。新一轮合作将重点拓展工业4.0与清洁能源创新等前沿领域。 Singh部长借此契机重点介绍了印度近年取得的重大科技突破：成功研发全球首款DNA新冠疫苗、推出国产HPV疫苗、上市治疗呼吸道感染的创新抗生素Nafithromycin。他还特别提及印度首次基因治疗临床试验成功，以及国家基因组数据库的建立。 声明援引Singh部长的发言称，印度正通过战略投资和政策引导，加速建设全球新兴技术枢纽。他着重强调了印度在高性能计算与人工智能领域的实力，并指出印度现已拥有世界第三大初创企业生态体系。 农业与健康科技成为会谈焦点。Singh介绍了推动芳香作物种植的“芳香使命”计划（又称“紫色革命”），以及运用无人机与GIS技术的“土壤健康卡”和“财产权登记计划”等数字农业项目取得的成效。 Singh特别强调，印度的创新战略包含运用数字技术保护传统知识。他举例介绍了“传统知识数字图书馆”（TKDL）项目——该数据库以可检索形式系统记录了印度传统医药与实践，是科技与文化遗产融合的典范。 作为地球科学部负责人，Singh还向意大利代表团通报了印度“深海探测计划”最新进展。声明透露，印度计划开展6000米级深潜任务，并将在明年实施500米测试下潜。 联合声明重申两国对量子技术及尖端科学应用合作的共同兴趣，指出这些领域对提升国家创新力与全球竞争力至关重要。该协议被视为G20共识的延伸，预计将推动双方产学研合作迈上新台阶。 印度生物技术部秘书Rajesh Gokhale博士和科技部秘书Abhay Karandikar教授等高级官员也出席了此次会议。 印意联合声明彰显两国支持科技创新型初创企业和小型企业的共同意愿，强调将通过学术与产业合作新机制，为两国科研机构、高校和企业家搭建联动平台。

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发布时间: 2025-05-30

2. 欧洲先进制造计量网络（EMN AdvanceManu）发布战略研究议程

李晓萌

近日，欧洲先进制造计量网络（EMN AdvanceManu）发布了其战略研究议程，概述应用于制造领域的计量学的科学和技术优先事项。 欧盟委员会已将先进制造确定为六大关键使能技术之一，这些技术推动了整个经济的创新，并跨越多个行业，呈现出完全融合和整合的趋势。这些技术有助于欧洲在汽车和工业机器人等工业价值链中的领导地位，对福祉、可持续性和经济增长产生了直接影响。 该战略研究议程是与欧洲主要利益相关方合作制定的，为计量学的发展提供了战略愿景，支持工业发展，并促进计量学与现代制造环境中先进技术的整合。

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发布时间: 2025-05-30

3. 美国南加州大学（USC）研究团队开发新型量子传感技术，借助新的相干稳定协议成功攻克退相干难题，显著提高测量精度

李晓萌

近日，美国南加州大学（USC）研究团队在《Nature Communications》期刊发表的最新研究中（DOI：10.1038/s41467-025-58947-4），展示了一项显著超越传统方法的量子传感新技术，该突破有望推动从医学影像到基础物理研究等多个领域的快速发展。 数十年来，量子传感器的性能始终受限于退相干效应——这种由环境噪声引发的不可预测行为会严重干扰量子系统。"退相干效应会导致量子系统状态发生随机紊乱，从而抹去所有量子传感信号，"该研究的通讯作者Eli Levenson-Falk,解释道。他同时担任南加州大学多恩西夫文理学院物理与天文学系副教授，以及维特比工程学院电气与计算机工程系副教授。 量子传感是指利用原子、光子或量子比特等量子系统作为传感器，以超高精度测量物理量（如脑部活动、超精密时钟或重力异常），其测量精度往往超越经典传感器的极限。这类传感设备通过叠加态、量子纠缠和相干性等量子特性，能够探测到传统仪器会被噪声淹没的极微弱信号。 "可以想象成在嘈杂的环境中聆听微弱的耳语，"该研究第一作者、南加州大学多恩西夫文理学院物理学博士生Malida Hecht解释道，"量子传感设备能探测到普通测量工具无法察觉的微小或微弱信号。" 采用新型相干稳定方案抑制退相干效应 在这项创新研究中，团队通过在实验量子比特上应用预先设计的相干稳定方案，暂时克服了长期存在的退相干难题，成功稳定了量子态的一个关键特性。该方案的理论基础由共同作者Daniel Lidar（维特比工程讲席教授，南加州大学电气与计算机工程、化学及物理与天文学三系教授）与电气工程博士生Kumar Saurav共同构建。实验显著提升了量子系统中微小频率变化的测量精度。 Levenson-Falk指出，这种相干稳定传感方案能使量子态变化形式的传感信号，比标准方案测量时获得更大幅度的增强。 这项稳定性突破对于需要探测微弱信号的应用至关重要。"信号越强就越容易检测，从而提升灵敏度，"Levenson-Falk解释道，"我们的研究实现了迄今为止量子比特频率检测的最高灵敏度。最关键的是，该方案无需反馈机制，也不需要额外的控制或测量资源，使其能够立即应用于各类量子计算和量子传感技术中。" 传感能力显著提升 研究团队在超导量子比特上验证了该方案，相比传统的拉姆齐干涉测量标准方案，每次测量的效能最高提升1.65倍。理论分析表明，在某些系统中潜在提升幅度可达1.96倍。 Levenson-Falk指出，这项基于稳定量子态的传感实验证明，无需依赖实时反馈或多传感器纠缠等复杂技术，同样可以提升量子传感器性能。"这也说明我们尚未从这类测量中获取全部可能信息。更优越的传感方案有待开发，将能立即产生实际应用价值。" 研究团队信息：本研究的作者均来自南加州大学，包括Matilda O. Hecht, Kumar Saurav, Evangelos Vlachos, Daniel A. Lidar和Eli M. Levenson-Falk。 此项研究获得了美国陆军研究实验室及陆军研究办公室（合同/资助编号：W911NF2310255）、美国国家科学基金会（资助编号：OMA-1936388，量子飞跃重大挑战计划）、海军研究办公室（资助编号：N00014-21-1-2688）以及科学促进研究公司（科特雷尔奖27550号）的联合支持。实验所用器件由MIT林肯实验室超导量子比特制造中心（SQUILL）提供，制造经费来自物理科学实验室（LPS）量子比特协作项目。

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发布时间: 2025-05-30

4. 美国国家标准与技术研究院（NIST）发布对新型原子钟NIST-F4原子频率标准的精度评估，将显著提升全球时间基准的稳定性和可靠性

张宇

近日，美国国家标准与技术研究院（NIST）的研究人员在《Metrologia》期刊发表了一篇文章（DOI：10.1088/1681-7575/adc7bd），将NIST-F4确立为世界上最精确的计时器之一。NIST已向国际计量局（BIPM）提交了该时钟，申请将其作为主要频率标准予以接受。BIPM是负责监督全球时间的机构。 NIST-F4测量的是铯原子内部一个不变的频率，这是自1967年以来国际上一致同意的定义“秒”的基础。该时钟基于一种“喷泉”设计，这种设计代表了时间计量的最高精度标准。NIST-F4的运行如此稳定，以至于如果它在1亿年前恐龙漫游的时代就开始运行，那么到今天它的时间误差也不会超过1秒。 通过加入由全球仅10个国家运行的类似精英时钟的小型群体，NIST-F4使全球时间的基础更加稳定和安全。与此同时，它还在帮助引导NIST用于保持美国官方时间的时钟。通过无线电和互联网传播的美国官方时间，对于电信和交通系统、金融交易平台、数据中心运营等至关重要。 NIST时间与频率部门主任Liz Donley表示：“NIST-F4改进了时间信号，这些信号每天被使用数十亿次，用途广泛，从校准钟表到确保数千亿美元电子金融交易的准确时间戳。” 一种特殊的时钟 像NIST-F4这样的铯原子喷泉钟是一种原子钟——一种复杂且高精度的设备，能够从原子中提取时间脉冲。这些时钟在我们这个全球互联的社会中发挥着关键作用：它们作为“主要频率标准”，共同校准协调世界时（UTC，即一个使用全球原子钟数据达成共识的时间计量系统，也称为时间尺度）。 像NIST这样的国家计量实验室利用自己的时间尺度来生成和分发UTC的版本；例如，NIST生成的版本称为UTC（NIST）。这些国家时间尺度随后被用于同步我们在日常生活中依赖的时钟和网络。 在喷泉钟中，首先利用激光将数千个铯原子冷却到接近绝对零度。随后，一对激光束轻柔地将原子向上抛起，之后原子会在自身重力作用下下落。 在原子的这段旅程中，它们会两次穿过一个充满微波辐射的小腔室。第一次是在原子上升过程中，微波将原子置于一个量子态，该量子态以一种特殊的频率——铯共振频率——随时间循环，这是一个由自然规律设定的不变常数。 大约一秒钟后，当原子再次下落时，微波与原子之间的第二次相互作用揭示了时钟的微波频率与原子的自然共振频率之间的接近程度。这一测量结果被用来将微波频率调整至原子共振频率。 随后，一个探测器会计算经过微调的微波的9,192,631,770个波周期。计算这些周期所需的时间定义了国际标准的“一秒”。 （这一定义可能会在2030年发生改变，届时各国计划考虑用一种或多种不同的原子元素重新定义“秒”，这些元素被用于所谓的光学钟，其测量时间的精度甚至高于喷泉钟。即便如此，铯原子喷泉钟在时间计量中仍将发挥重要作用，尽管其重要性有所降低。） 历经多年打造的“旅程” 全球正在运行的铯原子喷泉钟还不到20台。与用于互联网数据中心、股票市场和其他私营企业以计秒的商用原子钟不同，几乎每一台喷泉钟都是由像NIST这样的国家计量实验室的科学家建造和运行的。“这是一种非常优美的技术，具有真正的性能优势，但它非常娇贵。”NIST喷泉钟团队的物理学家Greg Hoth表示。 让NIST-F4加入这个精英队伍是一个历经多年的旅程。NIST的科学家们在20世纪90年代末建造了该机构的第一台喷泉钟NIST-F1。NIST-F1运行了超过15年，并被用于执行定期的频率校准。然而，喷泉钟的精密程度有多高，它们就有多脆弱。2016年搬入新大楼后，该时钟不得不经过修复并经过仔细测试，以再次作为主要频率标准运行——这一过程比预期花费的时间更长。 2020年，物理学家Vladislav Gerginov开始研究NIST-F1的频率测量。最终，他、Hoth以及同事们决定从头开始重建时钟的核心部件——微波腔，铯原子就是在这个腔体中被测量的。为了达到必要的精度，他们需要实现5到10微米的公差——大约是人类头发宽度的五分之一。 科学家们增加了新的电加热线圈、磁线圈、光学元件和微波组件，并进行了微调。NIST团队决定将这台新的喷泉钟命名为NIST-F4。（NIST已经建造了另外两台喷泉钟，NIST-F2和NIST-F3，因此NIST-F4是该系列的第四台。） 研究团队花费了数月时间进行测量，以确保NIST-F4不会因压力和温度波动或杂散电场和磁场等因素而受到影响。他们将喷泉钟的滴答声与氢气钟（用于计美国官方时间的主力原子钟）的滴答声进行比较，以确保它们保持稳定且不变的节奏。 “喷泉钟本应是非常单调的，”Hoth表示。 “评估像NIST-F4这样的喷泉钟是一个缓慢的过程，因为我们需要非常谨慎，”Gerginov表示。“在投入使用之前，我们必须对它的一切都了如指掌，”他说，因为时钟信号中的任何误差不仅会破坏美国的时间，还可能破坏全球时间计量基础设施。 近日，NIST团队在《Metrologia》期刊上报告称，NIST-F4的频率测量精度达到了10的16次方（1000万亿）分之2.2——与世界上最好的喷泉钟相当。NIST团队还将时钟数据发送给了国际计量局（BIPM），在那里，一个专家团队正在对其进行检查，之后BIPM将正式认证该时钟为主要频率标准。 Donley表示：“NIST-F4的成功重新确立了NIST在主要频率标准领域的全球领导地位。”“Vladi和Greg凭借他们的聪明才智和技能，恢复了NIST原子喷泉钟的可靠、世界级运行。” NIST-F4和另一台喷泉钟NIST-F3大约90%的时间都在运行，且在任何给定时刻至少有一台时钟在运行。NIST-F4的数据将定期发送给BIPM以校准协调世界时（UTC），而这两台时钟已经在帮助引导NIST时间尺度UTC(NIST)。 Donley表述：“NIST时间尺度已经从喷泉钟的高运行时间和其性能的可靠性中显著受益。”

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发布时间: 2025-05-30

5. 美国国家标准与技术研究院（NIST）旨在通过减少扫描电子显微镜（SEM）的不确定度来增强其实用性

张宇

使用扫描电子显微镜（SEM）的电子束辅助成像技术来检测微型芯片上最微小的缺陷，长期以来一直是半导体行业健康发展的基石。但是，随着该行业不断将芯片组件小型化（对于计算机、植入式药物分配器、手机和其他新型设备的研发至关重要），对SEM图像中更详细信息的需求也在不断增加。 尽管扫描电子显微镜（SEM）精细的原子级分辨率几乎没有改进的余地，但美国国家标准与技术研究院（NIST）的研究人员在CHIPS测量计划的资助下，已开始一项多年研究，旨在减少基于SEM图像数据的测量结果中的不确定性。为此，NIST物理学家约翰·维亚鲁比亚（John Villarrubia）及其同事正在开展一系列实验，研究人员企图让SEM中的电子从不同的材料上散射。该研究团队希望通过将散射实验的结果与理论值进行比较，从而在SEM图像和所研究对象的特征之间建立更精确的联系。 扫描电子显微镜（SEM）通过用一束聚焦的电子束扫描样品表面来生成样品的原子级分辨率的图像。电子束与样品之间的相互作用会生成从样品中逸出的具有广泛能量范围的额外电子。其中能量最低的电子，称为次级电子，对于创建SEM图像至关重要，因为它们来自于样品表面或表面以下不远处，并且携带有关表面特征的大部分信息。能量更高的电子（能量超过50电子伏特的电子）对表面的敏感性较低，因为它们中的大多数由来自源光束的电子组成，这些电子因与材料深处的原子核碰撞而被反向散射。 确定究竟产生了多少次级电子，以及探测器实际记录了多少次级电子，是正确解读扫描电子显微镜（SEM）图像的关键。然而，精确计算这两个数字并非易事。 例如，从样品凹陷处产生的次级电子可能会被周围的材料重新吸收，而不是到达检测器。另一方面，从倾斜区域逸出的次级电子比水平区域更多。为了正确解读扫描电子显微镜（SEM）图像数据中表面特征的真实大小和形状，必须考虑这些影响。然而，物理学家们对电子散射过程，特别是在低能级下的散射，知之甚少，这就导致在对扫描电子显微镜（SEM）生成的图像数据进行解读时存在很大的不确定性。 “由于我们对电子散射的知识很欠缺，并且可能还存在一些错误认知，因此计量学家用来解读扫描电子显微镜（SEM）图像的数学模型也会存在这些问题，” Villarrubia说。 为了确保他们全面考虑了SEM图像中的所有次级电子因素，他与他的NIST合作者奥尔加·里德泽尔（Olga Ridzel）和格伦·霍兰德（Glenn Holland）设计了一个更简单但新颖的散射实验。在他们的研究中，将有一束电子撞击样品表面，产生次级和反向散射电子，就像扫描电子显微镜（SEM）的工作方式一样。 但是，该实验在两个重要方面与扫描电子显微镜（SEM）研究有所不同。首先，该样品表面被制造成完全平坦的状态，这使得分析散射电子的强度和能量变得更加容易。其次，样品将被放置在一个被称为延迟场分析仪（RFA）的装置中，该装置可以根据能量过滤反向散射电子和次级电子。通过调整滤波器，使得只有高于某一特定阈值能量的电子才能到达探测器，该操作可以高精度地测量次级电子的总数，以及特定能量范围内的次级电子数。 该团队计划使用在扫描电子显微镜（SEM）工作范围内的不同光束能量重复这些测量。研究人员还将对以不同角度倾斜的平坦表面的样品进行相同的测量，以评估改变斜率将如何影响收集到的电子数量。 然后，科学家们将把他们的测量结果与各种电子散射理论模型的预测结果进行比较。Villarrubia说，其中一种可能性是，现有的某个模型可能被证明是正确的。但他指出，更有可能的是，这种比较的结果“会证明即使是我们最好的物理模型依然是不准确”。最后，这些新数据将成为改进新的和现有的电子散射模型的基础数据集，以便该团队用这些新数据对电子散射实验的结果进行比较研究。 一旦研究人员确定了最佳模型，就可以将其应用于利用电子显微镜（SEM）的电子束扫描晶体管或其他具有不规则表面的芯片组件时发生的更复杂的散射过程的研究。 企业用户最终将可以确信他们所依赖的扫描电子显微镜（SEM）图像能够真正确定样品表面裂缝的实际大小、或者仅相当于十个氢原子大小的孔的宽度，乃至集成电路中逻辑门的形貌等等。

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发布时间: 2025-05-30

6. 美国国家标准与技术研究院（NIST）发布用于太赫兹频率梳测量的超宽带光电子混频器

张宇

近日，美国国家标准与技术研究院（NIST）展示了他们研发的用于太赫兹频率梳测量的超宽带光电子混频技术，该技术使用经过改进的高速单向载波（MUTC）光电二极管提供高达500GHz的重复频率的相位相干检测。光电二极管本身的非线性光电子效应使电梳的谐波产生和下混过程具有显著不同的重复频率。具体来说，研究过程中生成了两个25GHz的频率梳，并使用光学滤波器来探索微波、毫米波和太赫兹频率范围内的频率梳光谱分量到基带的相干下混频。光电子混频器出色的噪声抑制性能使毫米波和太赫兹频率梳的相位相干测量成为可能，其测量时间为 τ，而艾伦偏差为 10^-13/τ。NIST进一步研究了转换损耗对反向偏置电压和光电流的依赖程度。实验结果表明，通过在最佳电压和最大可用光电流下运行光电二极管，可以将转换损耗降至最低。这项研究为毫米波和太赫兹频率梳的测量提供了一种解决方案，并有助于实现具有微共振器的完全稳定的频率梳。 该项研究的成果已发表在《Optics Letters》期刊上。（DOI：10.1364/OL.557366）

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发布时间: 2025-05-30

7. 美国国家标准与技术研究院（NIST）通过3D立体深度传感器进行影响噪声的因素研究

张宇

3D 立体深度传感器在许多领域都有广泛应用，包括自动驾驶汽车的传感、逆向工程和制造自动化等。这些传感器的性能会受到多种因素的影响，例如传感器结构、传感器技术、传感器设置、环境等。为了对这些传感器进行表征以及制定相关标准，需要了解影响传感器输出的参数。随着机器学习（ML）在 3D 点云和深度数据方面的应用日益普及，了解这些模型使用的数据对于提高此类深度传感器的采用率至关重要。在某些领域中，传感器噪声和瞬态效应可能会成为主导因素。在将传感器数据与ML算法结合使用之前降低噪声对于提高算法准确性是必要的。为了对深度传感器进行表征，我们使用具有不同光泽度、颜色和纹理/图案的目标进行了实验。此外，我们还通过研究传感器参数（如曝光、增益和激光功率）来探究传感器数据质量和噪声。我们发现在传感器捕获的 2D 图像和深度数据中都存在瞬态效应。这些实验有助于为特定应用提供可能建议的操作条件以及针对这些传感器的未来标准。 会议录下载链接：https://tsapps.nist.gov/publication/get_pdf.cfm?pub_id=959923

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发布时间: 2025-05-30

8. 美国国家航空航天局（NASA）计划使用首个用于重力测量的量子传感器

李晓萌

近日，来自美国国家航空航天局（NASA）位于南加州的喷气推进实验室、私营企业以及学术机构的研究人员，正在开发首个用于测量重力的太空量子传感器。该任务由NASA地球科学与技术办公室（ESTO）提供支持，这将是量子传感领域的首次尝试，并将为从石油储备到全球淡水供应等的开创性观测铺平道路。 地球的引力场是动态的，随着地质过程在地球表面重新分配质量，每天都在变化。质量越大，引力就越大。 在日常生活中，你不会察觉到这些细微的引力变化，但科学家可以利用称为重力梯度仪的敏感工具，绘制出地球引力场的细微差别，并将其与地下特征（如含水层和矿产储量）相关联。这些引力图对于导航、资源管理和国家安全至关重要。 “我们可以利用原子来确定喜马拉雅山脉的质量，”喷气推进实验室（JPL）地球科学首席技术专家兼 JPL 量子空间创新中心主任杰森·海恩（Jason Hyon）表示。海恩及其同事在《EPJ Quantum Technology》期刊最近的一篇论文中阐述了他们提出的量子重力梯度仪探路者（QGGPf）仪器背后的概念。 重力梯度仪通过追踪一个位置的下落物体与相距较短距离的另一个下落物体的下落速度来工作。这两个自由下落的物体（也称为测试质量块）之间的加速度差异对应于引力强度的差异。在引力较强的地方，测试质量块下落得更快。 量子重力梯度仪探路者（QGGPf）将使用两团超冷铷原子云作为测试质量块。这些原子云被冷却到接近绝对零度的温度，其中的粒子表现为波。量子重力梯度仪将通过测量这些物质波之间的加速度差异来定位引力异常。 JPL的实验物理学家Sheng-wey Chiow解释说，使用超冷原子云作为测试质量块，可以确保太空重力测量在长时间内保持准确。他表示：“使用原子，我可以保证每次测量结果都相同。我们对环境影响的敏感性较低。” 以原子作为测试质量块，还可以实现在单个航天器上搭载紧凑型仪器来测量引力。量子重力梯度仪探路者（QGGPf）的体积将约为 0.3 立方码（0.25 立方米），重量仅约 275 磅（125 千克），比传统太空重力仪器更小、更轻。 量子传感器还有望提高灵敏度。据一些估计，科学级量子重力梯度仪的引力测量灵敏度可能是经典传感器的十倍。 这项技术验证任务的主要目的是测试一系列用于在原子尺度上操控光与物质相互作用的新型技术，该任务计划在本十年末发射。

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发布时间: 2025-05-30

9. 美国国家标准与技术研究院（NIST）研发用于关键尺寸计量的基于实验室的多波长极紫外（EUV）衍射仪

张宇

背景：该行业正在开发极紫外波长（EUV）技术，用于测量逻辑制造中的关键尺寸（CD）。随着新兴方法的出现，与参考测量技术进行对比评估对于推动使用工业相关长度尺度的高速开发至关重要。 目的：将使用桌面相干高谐波产生（HHG）源从EUV衍射测量数据确定的参数化几何形状，与基于同步辐射的关键尺寸小角X射线散射（CD-SAXS）测量的尺寸进行比较，参照的对象为四个线间距阵列，其关键尺寸（CD）均小于50纳米。 方法：采用EUV成像反射仪捕获作为掠射角函数的0阶反射和1阶衍射强度。1阶强度是该HHG源光谱梳中五个波长的函数。使用严格的耦合波分析（RCWA）电磁模拟对这些数据进行拟合，得出参数值和不确定性。 结果：在考虑了横截面几何形状和实验条件后，EUV衍射测量模拟与测量数据总体吻合良好。EUV 衍射仪测量的线宽与 CD-SAXS 的线宽在后者中点高度处的线宽相关性良好。 结论：这些令人鼓舞的结果是使用通用原型相干EUV反射仪获得的。基于该项目的成果进一步提高灵敏度和准确性的方案已经确定，并且研发工作正在推进中。 该研究的详情已发表在《SPIE》相关期刊中。（DOI：10.1117/12.3050342）

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发布时间: 2025-05-30

10. 国际计量局（BIPM）在国家计量机构（NMI）和指定机构（DI）开发用于大气甲烷稳定同位素比率的校准和测量能力以实现全球可比性的计量学

张宇

近日，国际计量局（BIPM）为建立强大的大气甲烷（CH4）稳定同位素比值的精确校准和测量能力（CMC），在国家计量机构（NMI）和指定机构（DI）进行全面了解基础测量技术、标准物质（RM）、校准层次结构、赋值、不确定度评估和实验室间比较活动。世界气象组织（WMO）推荐的大气甲烷稳定同位素比值监测网络兼容性目标（以同位素delta值表示）为稳定碳同位素delta（δ 的 0.02‰13C）值和1‰为稳定氢同位素delta（δ2H）值，δ 的扩展目标为0.2‰13C 和5‰表示δ2H. 全球实验室间比较显示，δ 的偏移量高达0.5‰13C和13‰表示δ2H测量值远远超过了WMO的目标。为了解决这些差异，专家同位素实验室正在取得稳步进展，且NMI/DI的参与度越来越高。改进的测量技术以及共同参考材料的使用使测量结果更接近 WMO 的目标。该研究不仅回顾了NMI/DI建立CMC 所需的组成部分，还提出了进一步协调全球测量的可操作性建议，包括制定标准化协议、采用VPDB碳同位素delta标度以实现大气数据协调一致，以及开展国际比较研究以支持NMI/DI在其CMC中的声明。这些行动对于实现长期一致性以及推进大气甲烷稳定同位素比值测量的全球标准至关重要。 该研究的详细信息已发表在《Metrologia》期刊中。（DOI：10.1088/1681-7575/adcfa8）

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发布时间: 2025-05-30

11. 美国白宫向美国国会提交2026财年预算提案，保留对量子信息研究的投入

李晓萌

近日，美国白宫管理和预算办公室向美国国会提交了2026财年预算提案，国会最终将决定保留或扩大多少量子资金。然而，白宫的提议似乎表明，量子技术固然重要，但它必须与其他许多优先事项竞争。 根据公布的数字，特朗普总统提议的2026财年自由裁量预算保持了量子信息研究支出的稳定，但没有在这一快速发展的领域提供新的投资，这表明对下一代技术采取了更为谨慎的方法。 根据白宫提交给国会的预算请求，政府将继续支持在能源部科学办公室和国家科学基金会名下的量子信息科学研究。这些资金已在之前的预算中分配，将作为更广泛推动维护美国在关键技术领域竞争力的一部分而得以保留。 但尽管量子计算在地缘政治和商业领域持续受到关注，提议的预算并未提供任何新的项目、增长计划或针对劳动力发展或商业化的具体预算条目。 科学领域的大幅削减 预算在联邦科学机构的大部分领域都提出了大幅削减，计划从国立卫生研究院削减179亿美元，并缩减被白宫在文件中称为“绿色新政骗局”的能源部研究项目。 尽管如此，科学办公室仍将为“优先领域”保留资源，包括人工智能、高性能计算、聚变、关键矿物以及量子信息科学。这种维持现状的支持似乎将量子技术划为一个受保护的领域，以应对更广泛的紧缩。 “预算削减了对气候变化和绿色新政骗局研究的资金，”白宫提到，“但维持了美国在高性能计算、人工智能、量子信息科学、聚变和关键矿物等优先领域的竞争力。” 没有提及国家量子倡议（NQI） 预算中没有提议增加量子教育、公私合作伙伴关系或推动实验室成果商业化应用的转化努力的资金。此外，也没有提及国家量子倡议（NQI），这是锚定美国量子研发战略的联邦法律。尽管该计划由多个机构管理，但其延续性可能现在取决于未来的国会重新授权或单独的立法支持。 这种克制的态度出现在一些与美国处于同等水平的国家，正在增加对量子计算及相关技术的公共投资之时。在美国，像IBM、谷歌和IonQ这样的公司一直呼吁继续进行联邦协调，以保持发展势头。 最终，尽管预算确认了政府将量子技术视为一个战略领域的观点，但其未被列入任何主要计划中，可能会使该领域更多地依赖于过去的动力，而不是新的联邦支持。此前，专家们曾表示担忧，对量子技术的投资增长不够强劲可能会减缓从研究到实际应用的过渡，特别是在制药、物流和国防等领域，早期的示范已经显示出其潜力。

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发布时间: 2025-05-30

12. 美国能源部橡树岭国家实验室（ORNL）使用下一代质谱法解码生物复杂性

张宇

罗伯特·海蒂奇（Robert “Bob” Hettich）是美国能源部橡树岭国家实验室（ORNL）的研究员，领导实验室的生物分析质谱小组，他以其质谱专业知识而闻名，是宏蛋白质组学领域的创始人和全球领导者之一，该领域涉及识别和分析微生物群落产生的蛋白质和肽。他职业生涯的大部分时间都在ORNL研究高性能分析测量，特别是质谱技术，他的研究为揭示微生物的奥秘及其对更大系统（如植物和人类）的影响提供令人惊叹的见解。 Hettich使用质谱法（一种测量从分子生成的离子的质荷比的技术）来探索细胞机制和过程，揭示细菌、真菌和病毒如何相互关联以及与宿主的相互作用。他对复杂环境中生物分子的研究为理解这些微生物在微生物组中的功能和适应性提供了基本见解。这些信息有助于指导许多应用，例如微生物群落（协同工作的微生物团队）如何使植物更加健康，并可用于支持国内的生物经济。 Hettich与ORNL和其他机构的众多研究人员合作，研究微生物如何相互作用、影响土壤养分流动、促进生物修复、助力生物燃料和生物产品的生产、帮助植物宿主适应干旱、养分胁迫、疾病和害虫等外界条件，以及它们如何影响或响应人类健康状况。他还研究了高阶蛋白质结构，探索蛋白质的三维形状和折叠，这些形状和折叠决定了它们如何发挥作用并与其他分子相互作用，以更好地了解生物的整个生命周期。 Hettich的工作得到了美国能源部科学办公室生物与环境研究项目的各种支持，包括ORNL领导的生物能源创新中心（CBI）和植物-微生物界面科学重点领域（PMI SFA）。在他 39 年的职业生涯中，Hettich参与了ORNL几代生物质谱技术的开发和演示。他目前正负责建立新的尖端质谱设备，这些设备可以显著加速ORNL在发现更优秀的植物和微生物种群方面的研究。 问：ORNL的新质谱仪有哪些功能？ 我们刚刚在ORNL安装了两台新的高性能质谱仪，这将使我们在更快的扫描速度、更高的分辨率和更高的样品通量方面取得巨大飞跃。 我们现有的质谱仪器扫描频率为8赫兹，即每秒生成8张质谱图。而新型的质谱仪器都以200Hz的频率运行，每秒能产生200张质谱图，比我们现有的设备增加了2500%。此外，该仪器提供480,000的超高质量分辨率，可对蛋白质和代谢物等复杂分子进行极其精确的测量。我们的第二台新型质谱仪器扫描频率高达40Hz，与目前的仪器相比具有更快的扫描速度，同时提供了可用于检测完整蛋白质和其他生物分子的高质量测量能力。 我们还拥有直接连接到这些海量系统的新型计算能力，以处理这些重大升级所带来的数据洪流，提供实时数据收集、分析和存储的功能。随着我们数据集的扩展，它们将继续为ORNL的人工智能和高性能计算能力提供动力，以进一步拓展我们对复杂生物系统的了解。 因为我们是推动和开发宏蛋白质组学（对整个微生物群落产生的蛋白质的大规模研究）而获得国际认可的少数几个团体之一，所以我的工作之一就是推动技术工具集的持续发展。我们致力于不断提升测量能力，以实现最精准的测量，从而开启人类认知中前所未有的新维度。 这些仪器在全球的使用数量非常有限，而且大多数都集中在人类健康研究领域。我们橡树岭国家实验室（ORNL）的科学使命以及我们在植物和微生物生物学方面的专业知识与这些新仪器的结合，使我们在研究机构中独树一帜。这些能力巩固了我们作为宏蛋白质组学顶级研究机构的地位，促进了我们在先进燃料、化学品和材料以及自然生态系统韧性研究方面的创新。 问：这些仪器有哪些优势？ 我们使用液相色谱-串联质谱法（LC-MS/MS），首先将样品进样到液相色谱柱（LC）中，然后根据极性、大小或其他化学性质分离化合物。当它们离开色谱柱时，它们会进入质谱仪，在那里它们被电离、碎裂并根据其质荷比进行检测。然后使用计算工具将这些质荷比与DNA序列中已知的预测分子进行匹配，从而精确识别出样品中所含物质的类别、数量甚至完整DNA序列。 我们正在分析的样品是非常复杂的混合物，因此质谱仪会尝试尽可能快地扫描，以实时记录从色谱柱上获得的所有信息。由于仪器较旧且扫描速度较慢，我们至少错过了从色谱柱流入的一半数据。显然，新型的快速扫描仪器提供了更广泛的检测深度以及更好的测量质量，使我们能够更深入、更全面地了解这些复杂生物系统的分子机制。在测量时间上也有显著的提升：目前在现有的质谱设备上，每个样品的测量需要大约3到5小时；而在新型系统上，这一时间可以缩短到大约30到60分钟。这意味着结果的得出更快，且通量大大提高。 凭借新型主仪器的480,000分辨率，我们能够区分在质谱图中彼此非常靠近的峰。例如，稳定同位素标记是一种常见的实验方法，用于追踪碳或氮在生物系统中的流动。凭借这种高分辨率，我们应该能够更灵敏、更准确地表征一系列稳定的同位素标记，这将使我们能够更好地跟踪氮限制与碳流动的函数关系。这些知识可以帮助我们了解碳流动如何影响植物中氮的吸收和生长。 另一个例子是能够识别我们以前在植物周围土壤环境或植物叶子上可能从未见过的微生物，因为它们的丰度非常低。但新仪器显著提高了测量灵敏度（至少提高了5倍左右），从而为我们提供了更丰富的观测视角。我们现在应该能够看到以前未被检测到的微生物及其功能，而这些微生物及其功能之所以未被发现，仅仅是因为我们以前没有能力检测到它们。 问：到目前为止，我们利用这项新技术取得了哪些成就？ 我们已经在测试提高的速度、灵敏度和蛋白质谱的覆盖率。对复杂微生物混合物的分析显示，在60分钟的测试中发现了超过25万个独特的肽段，这一测量深度几乎是现有设备和更长分析时间所达到的10倍。此外，我们还评估了土壤样本的测量深度性能以及测量微生物蛋白质的能力。所得蛋白质数量非常可观，再次显著优于现有方法。 问：这些仪器可以实现哪些新的科学研究？ ORNL在使用全基因组关联研究（GWAS）方面拥有丰富的经验和成功案例，作为CBI项目的一部分，将植物的遗传变异与其性状联系起来。一种互补的方法是将实际的遗传功能（即蛋白质）与有利的性状联系起来——这表明蛋白质组范围的关联研究（PWAS）可能会很有价值。然而，由于测量大样本集的技术限制，始终无法实现执行PWAS的能力。 通过PWAS，您可以了解蛋白质和代谢物的实际作用，而不是它们在基因组中所揭示的基因组潜力。简而言之，基因组提供了食谱，而蛋白质组/代谢组给大家制作了蛋糕。通过监测数千个样品中的蛋白质，您可以更准确地将实际功能与基因联系起来。 通过结合GWAS和PWAS，我们应该能够更全面地识别出驱动植物对环境变化所产生的分子响应机制——如抗旱和抗病性、更高的生物量和作物产量等因素。这将揭示与代谢途径相关的基因-蛋白质关联，帮助我们提高新型生物基燃料、化学品和材料的生产效率，并确定分解和回收塑料的最佳微生物途径。 对于 PMI SFA 项目，新仪器可以帮助我们更好地了解生活在植物根部的微生物群落，包括这些微生物如何与植物交流、小分子的交换、控制微生物组生长的因素以及是否存在碳或氮的限制。 新的质谱（MS）技术还使我们能够分析完整蛋白质。我们不再将蛋白质分解为肽段来研究其基本组成，而是可以直接对完整结构进行自上而下的分析。我们可以监测蛋白质相互作用，或者蛋白质在用甲基和磷酸盐等化学标签修饰时的性能，以及蛋白质修饰如何动态调控其功能。 问：这些新的能力还可以支持哪些其他科学任务？ 除了专注于环境微生物学之外，我们还非常积极地进行人类微生物组方面的研究。这些系统类似于植物微生物组——它们都包含一个复杂的真核宿主，其中存在一个已建立的微生物组，其在健康和不健康的条件下情况可能会有所不同。 我们可以利用我们对植物和微生物相互作用的了解，来开发一个通用架构来分析人体的复杂环境。我们目前正在为一个项目分析粪便样本，该项目旨在开展一个研究人类微生物组与帕金森和类风湿性关节炎患者之间的联系。即使在初步测试中，我们也能看到使用新的质谱仪测量结果的深度大约提高了10倍。我们新的高通量能力应该能够提供一个更清晰的视角，来了解什么样的人类微生物组是健康的，而什么样的则与失调或疾病相关。 问：我们希望通过这项新技术最终实现什么目标？ 借助我们新的质谱能力，我们获得了几个重要优势：分辨率，或峰的尖锐程度，这将有助于精确识别分子; 扫描速度，这增加了我们在给定时间内可以运行的样本数量; 以及更高的质量精度和灵敏度。这些新的性能指标不仅很可能会更好地解决当前的科学问题，而且还可能会拓展我们在新领域的视野。 结合橡树岭国家实验室（ORNL）的其他能力，如中子科学、高性能计算和人工智能、冷冻电子显微镜、X射线晶体学和自动化多模态表型分析，我们将有能力打开通往新研究维度的大门，使曾经无法触及的研究领域现在变得唾手可得。最终，这些新仪器全面提高了我们从整体上探究和理解复杂生命系统的能力，而不再是仅仅把他们看成单独运作的独立功能模块。 UT-Battelle为美国能源部（DOE）科学办公室管理橡树岭国家实验室（ORNL），该办公室是美国物理科学基础研究的最大单一支持者。科学办公室致力于解决我们这个时代一些最紧迫的挑战。

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发布时间: 2025-05-30

13. 美国国家标准与技术研究院（NIST）评估概率和数据驱动的推理模型对光纤耦合NV金刚石温度计不确定性的影响

张宇

近期，美国国家标准与技术研究院（NIST）通过使用光纤耦合NV传感器进行连续光学检测磁共振（ODMR）测量来推断温度。NIST的方法利用了概率前馈推理模型，旨在通过自动微分最大限度地提高观察到的ODMR光谱的可能性。该模型有效地利用了自旋哈密顿参数的温度依赖性，从ODMR数据的光谱特征中推断温度。NIST在243K至323K的温度范围内实现了 ±1°C 的精度。为了对该概率模型进行基准测试，NIST将其与非参数寻峰技术和数据驱动方法（如主成分回归 （PCR） 和一维卷积神经网络 （CNN））进行了比较。发现在该模型的训练温度范围内，数据驱动的方法实现了 ±1°C 的相对精度，而无需结合对光谱-温度关系的专家级理解。然而，NIST的测试结果表明，在训练温度范围之外进行测试时，概率模型的性能表现优于PCR和CNN，这表明其具有超出训练集之外的鲁棒性和泛化能力。相比之下，PCR和CNN这样的数据驱动方法在被要求超出其训练数据范围进行外推时面临显著挑战。

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发布时间: 2025-05-30

14. 国际计量局（BIPM）成立150周年：九项杰出科学海报揭晓

李晓萌

近日，国际计量局（BIPM）揭晓入选“150周年科学会议”的九项科学海报作品，该会议将于2025年5月21-22日在联合国教科文组织（UNESCO）总部举行。 这些杰出作品从全球近400份投稿中脱颖而出，聚焦现代计量学最紧迫的挑战领域——涵盖量子技术、数字化转型、健康医疗、教育创新及可持续发展等前沿议题。 每份获奖海报均由BIPM海报评审委员会从九大核心主题领域中遴选而出，充分展现了全球计量学界创新实践的广度与深度。 入选海报项目及作者 1. Dorothy Mringie 《铷原子"光指纹"在精密原子钟中的应用》 2. Kai Fuu Ming 《同位素测量技术在低碳燃料能源转型中的应用》 3. Chiara Giangrande 《神经退行性疾病生物标志物测量标准化：NEUROBIOSTAND项目》 4. Adrian Pegoraro 《创新纳米塑料标准物质推动食品与饮用水安全革命》 5. Oijai ONGRAI 《亚太地区可持续能源解决方案的协同计量研究》 6. Sarah Hill 《通过计量学实现电子废弃物中关键技术元素的循环利用》 7. Daniel Schwabe 《医疗可信AI质量保证之路：系统性评估医学训练与测试数据的METRIC框架》 8. Martina Marzano 《基于量子反常霍尔效应的欧姆简便实现方法》 9. Elizabeth Benham 《培养新一代计量人才：国际单位制（SI）教育与科学素养提升的150年展望》 特别值得一提的是，Cristhian Alfredo Paredes Cardona的海报作品《感知计量学：人类福祉的未来新前沿》入选了150周年“青年计量学者”特别单元。 这九项入选作品的第一作者将受邀于2025年5月21日，在凡尔赛会议宫举行的现场海报研讨会上展示研究成果，该活动是150周年纪念科学议程的重要组成部分。 所有入选海报现均已作为电子海报在BIPM150官网上线（网址：https://thebipm150.org/posters-online/）。BIPM鼓励浏览完整系列，以探索计量科学如何助力解决各领域的重大挑战。

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发布时间: 2025-05-30

15. 西班牙政府发布首个国家量子技术战略，计划投入超过8亿欧元以强化其量子生态系统

李晓萌

近日，西班牙数字转型与公共服务部长奥斯卡·洛佩斯（óscar López）和科学、创新与大学部长戴安娜·莫兰特（Diana Morant）在经济合作与发展组织（OECD）全球技术论坛上，共同发布了西班牙首个2025-2030年量子技术战略。这项战略于4月15日获得西班牙部长理事会批准，标志着西班牙政府履行了对量子技术生态系统的承诺，推动了一项全面的战略，并在量子计算、量子通信和量子传感这三大关键领域与欧盟的投资保持一致。 该战略的预算估计为8.08亿欧元，资金主要来自两个渠道：一是欧盟区域发展基金（FEDER），二是恢复、转型与韧性计划。此外，这两个渠道都有望吸引公共和私人投资，预计总投资可能达到15亿欧元。 “我们正在经历的数字化转型推动了颠覆性技术的发展，这些技术将改变我们所熟知的世界。其中一项就是量子技术，全球对量子技术的领导权竞争正在加剧。量子竞赛不会轻松，但西班牙可以在量子通信等领域发挥专长，这些领域对于保护金融交易和能源分配网络等关键环境至关重要。” 数字转型与公共服务部长奥斯卡·洛佩斯（óscar López）这样评价道。 “我们发布的量子技术战略是使西班牙成为该领域领先国家的重要一步。” 科学、创新与大学部长戴安娜·莫兰特（Diana Morant）表示，并强调 “投资量子研究并将这些知识转化为工业应用，是我们引领定义21世纪的颠覆性创新的能力的体现。” 工业应用：药物研发、导航与气候风险 具体而言，这一倡议将促进对基础设施和这些技术的工业应用用例的资金投入。其目标不仅是增强西班牙生态系统的优势，如量子通信或后量子密码学领域的研究，还要利用量子传感和计量技术的市场接近性和双重应用潜力，特别是在导航和国防等领域。例如，通过量子时钟，船只可以以极高的精度确定位置，而不依赖外部技术，避免信号干扰或位置偏差。 此外，量子技术还可以帮助超精确地规划电网，减少对化石燃料的依赖，支持新药物的研发，模拟气候风险以便更好地进行后续管理，助力可持续肥料催化剂的开发，以及加速国防领域先进材料的研发。 该战略的实施是在西班牙此前已投入3亿欧元的基础上进行的，并与联合国推动的“国际量子科学与技术年”相契合。在制定过程中，西班牙组织了多场与量子技术生态系统相关的研讨会和交流活动，并与各自治区代表以及地方实体进行了沟通。 此外，发展量子技术还将支持欧盟的数字主权和经济安全，利用其带来的竞争力优势，巩固西班牙和欧盟在全球量子技术竞赛中的地位。根据欧盟委员会的数据，全球现有的量子中小企业中，有四分之一位于欧洲，这一比例与美国相当。这一数据证实了欧洲在全球量子技术市场中实现领导地位的潜力，最终也包括西班牙在全球量子技术市场中的领导地位。预计到2040年，全球量子技术市场的价值将达到1730亿美元。 通过这一行动，西班牙旨在实现以下四个战略目标： 1.加强研发与创新：促进知识转移，推动研究成果走向市场。 2.创建西班牙量子市场：推动量子企业的增长和发展，提升其获取资金和满足市场需求的能力。 3.为社会变革做好准备：通过促进安全性和对新的数字权利、后量子隐私的思考，为颠覆性变革做好准备。 4.巩固量子生态系统：整合量子生态系统，推动国家整体发展愿景的实现。 为了充分利用这些技术带来的好处，同时减轻相关风险，该战略确定了七个优先领域，并通过跨部门协调实施一系列相关举措： 优先领域 1：增强西班牙量子技术企业的实力。 优先领域 2：人工智能与量子技术之间的算法设计与技术融合。 优先领域 3：使西班牙成为量子通信领域的标杆。 优先领域 4：展示量子传感和计量技术的影响力。 优先领域 5：后量子时代的信息隐私与保密性。 优先领域 6：能力提升：基础设施、研究和人才。 优先领域 7：打造一个强大、协调且在欧盟领先的西班牙量子生态系统。 量子通信中心 作为首个具体落实这些优先领域的举措，部长理事会上周批准了创建量子通信中心的皇家法令。该中心的初始投资为1000万欧元，将推进以下三大方向：在量子通信领域开发用例；推动量子光子学的研究与开发；以及开展培训和推广活动。 该计划的目标是将西班牙量子通信生态系统中的关键公共参与者联合起来，巩固一个涵盖研究、开发和实施这些技术的网络。通过这种方式，量子通信中心将推动量子技术在全国范围内的发展，例如，向加泰罗尼亚光子科学研究所投入超过240万欧元；向马德里理工大学量子信息与通信研究中心投入超过140万欧元；向多诺斯蒂亚国际物理中心基金会投入93万欧元；以及向加那利群岛天体物理研究所投入48万欧元。

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发布时间: 2025-05-30

16. 加拿大国家研究委员会（NRC）的NRC-FCs2铯喷泉钟在稳定性和精度等方面取得进展

李晓萌

近日，加拿大国家研究委员会（NRC）研究团队在《Metrologia》期刊发文（DOI：10.1088/1681-7575/adcd7b），研究团队成功提升了NRC-FCs2喷泉钟的稳定性、精确度与整体性能。通过使用光学稳定的微波来提高短期稳定性，目前短期稳定性已达到σy=3×10-14τ-1/2。研究团队创新性地运用吸收成像技术测定分布式腔相位偏移，使评估时间与最终不确定度显著降低。研究团队还以更高的精度重新评估了由于微波泄漏和同步相位瞬态引起的偏差。目前，NRC-FCs2的总系统不确定度为分数频率的1.1×10?16，较最近一次评估结果提高了2倍。 NRC-FCs2是由加拿大国家研究委员会（NRC）与英国国家物理实验室（NPL）联合研制完成的一种铯原子喷泉钟。NRC-FCs2作为加拿大的主要频率标准，已开始为国际原子时（TAI）和协调世界时（UTC）的校准提供支持。其性能和精度得到了国际计量局（BIPM）的认可。

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发布时间: 2025-05-30

17. 美国加州理工学院（Caltech）的量子传感器通过了下一代粒子物理实验的测试

张宇

为了更好地了解物质、能量、空间和时间的本质，物理学家们通过撞击在大型加速器机器中将高能粒子捣碎在一起，产生每秒数百万个具体不同质量和速度的粒子喷雾。这些碰撞还可能产生标准模型未能预测的全新粒子，而标准模型是我们宇宙中基本粒子和力的主流理论。目前，人们正在计划建造更强大的粒子加速器，其碰撞将引发更大规模的亚原子风暴。研究人员将如何从这种混乱中筛选出有用的信息呢？答案可能就在量子传感器中。 近日，来自美国能源部费米国家加速器实验室（Fermilab）、加州理工学院（Caltech）、由加州理工学院管理的美国宇航局喷气推进实验室（JPL）和其他合作机构的研究人员使用一种新颖的仪器合作开发了全新的高能粒子检测方法，该方法利用量子传感器（能够精确检测单个粒子的设备）的强大功能。 “在未来的20到30年里，我们会见证粒子对撞机的范式转变，因为它们在能量和强度方面将变得更加强大，”Maria Spiropulu 说。加州理工学院物理学教授Shang-Yi Ch'en说， “这就意味着我们需要更精确的探测器。这也是我们今天开发量子技术的原因。我们希望把量子传感纳入我们的工具箱中，以优化对新粒子和暗物质的下一阶段搜索，并研究空间和时间的起源。” 在《仪器杂志》（Journal of Instrumentation）上发表的一份报道中，该研究团队（还包括日内瓦大学和智利费德里科圣玛丽亚技术大学的合作者）首次在芝加哥附近的费米实验室测试了其名为超导微丝单光子探测器（SMSPDs）的新技术。他们将量子传感器暴露在高能质子、电子和π介子束中，这些传感器在探测粒子方面具有更高的效率，并且在时间和空间分辨率上有所提高。 这是朝着为未来粒子物理实验开发先进探测器迈出的重要一步，合著者、费米实验室的科学家谢思（Si Xie）表示，他同时在加州理工学院担任联合研究科学家。“这只是个开始，”他说。“我们有可能会探测到质量更低的粒子，以及可能构成暗物质的奇异粒子。” 该研究中使用的量子传感器与一类相关的传感器（称为超导纳米线单光子探测器，即 SNSPDs）类似，它们在量子网络和天文学实验中都有应用。例如，喷气推进实验室（JPL）的研究人员（世界上设计和制造这些传感器的顶尖专家之一）最近在深空光通信实验中使用了这些传感器，这项实验演示了如何使用激光将高清数据从太空传输到地面。 斯皮罗普卢、谢思以及来自费米实验室、加州理工学院和喷气推进实验室的其他科学家也在量子网络实验中使用了SNSPDs传感器，他们通过这些传感器在长距离之间传输信息——这是未来开发量子互联网的重要一步。该计划被称为智能量子网络和技术（INQNET），由加州理工学院和AT&T于2017年联合创立。 在粒子物理测试中，研究人员使用的是超导微丝单光子探测器（SMSPDs），而不是超导纳米线单光子探测器（SNSPDs），因为它们具有更大的表面积，可用于收集粒子喷雾。他们首次使用这些传感器来探测带电粒子，这种能力对于量子网络或天文学应用来说并不是必需的，但对于粒子物理学实验来说缺是必不可少的。“这项研究的新颖之处在于，我们证明了这些传感器可以有效地检测带电粒子，”谢思说。 超导微丝单光子探测器（SMSPDs）还可以更精确地在空间和时间上探测粒子。“我们称它们为4D传感器，因为它们可以同时实现更好的空间和时间分辨率，”谢思说。“通常在粒子物理学实验中，你必须调整传感器以获得更精确的时间或空间分辨率，但不能同时实现两者。” 当研究人员分析从高速碰撞中飞出的粒子束时，他们希望能够精确地追踪它们在空间和时间上的路径。打个比方，假设您想利用安保图像来追踪一个藏在从不同列车涌入纽约中央车站的人群中的可疑人物。您可能希望图像具有足够高的空间分辨率以便更好的追踪个体。但是您还需要足够精确的时间分辨率以确保您抓住了真正感兴趣的人。如果你只能获得每10秒拍摄一次的图像数据，你很可能会错过这个人，但如果你有每秒钟都拍摄一次的图片，你的机会显然就会更大。 “在这些碰撞中，你可能想要追踪每秒发生的数百万个事件，” 斯皮罗普卢说。“您被数百万次的交互现象所淹没，很难精确地找到主要的交互过程。回到20世纪80年代，我们还认为拥有空间坐标就足够了，但如今，随着粒子碰撞变得更加强烈，产生更多的粒子，我们还需要跟踪时间。 “我们非常高兴能够从事像超导微丝单光子探测器（SMSPDs）这样的尖端探测器研发工作，因为它们可能会在该领域的标志性项目中发挥至关重要的作用，比如计划中的未来环形对撞机或μ子对撞机，” 费米实验室科学家、加州理工学院校友克里斯蒂安·佩尼亚（Cristián Pe?a，2017年博士毕业）说，他领导了这项研究。“很高兴能够汇聚来自世界上多个机构的研究人员，从而组建了一支世界级的团队，我们会将这项新兴技术的研究推向一个前所未有的高度。” 这项名为“使用大面积超导微丝阵列进行高能粒子检测”的研究由美国能源部、费米实验室、智利国家研究与发展局（ANID）和费德里科圣玛丽亚技术大学资助。其他加州理工学院的作者包括前研究生王晶（Christina Wang，2024年博士毕业）、研究科学家阿迪·博恩海姆（Adi  Bornheim）、博士后安德鲁·穆勒（Andrew Mueller，2024年博士毕业）以及研究生萨希尔·帕特尔（Sahil Patel，2022年硕士毕业）。其他喷气推进实验室的作者包括鲍里斯·科日（Boris Korzh，现为日内瓦大学教授）、杰米·卢斯金（Jamie Luskin）和马修·肖（Matthew Shaw）。

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发布时间: 2025-05-30

18. 美国国家标准与技术研究院（NIST）等机构研究团队首次成功制造出沿曲线路径传播的中子艾里光束（Airy beam），有望为材料探测和量子研究开辟新途径

李晓萌

近日，美国国家标准与技术研究院（NIST）等机构研究团队首次在物理学领域实现中子束曲线传播。这种利用定制装置生成的艾里光束（以英国科学家George Airy命名），将显著提升中子对药物、香水、农药等材料的分析能力——因其具备绕障传播特性，该技术有望为材料研究开辟新途径。 "我们很早就知道这些能自主导向的奇特波形，但此前从未有人用中子实现过，"论文作者之一、美国国家标准与技术研究院（NIST）的Michael Huber表示，"这项技术开辟了调控中子束的全新途径，将助力材料内部结构观测和重大物理问题的探索。" 该研究成果于4月17日在线发表在《Physical Review Letters》期刊中（DOI：10.1103/PhysRevLett.134.153401）。研究团队由纽约州立大学布法罗分校Dusan Sarenac领导，加拿大滑铁卢大学量子计算研究所（IQC）的合作者研制出可生成艾里光束的特制装置。团队成员还包括来自马里兰大学、橡树岭国家实验室、瑞士保罗谢勒研究所以及德国于利希中子科学中心（隶属海因茨·迈尔-莱布尼茨中心）的科学家。 艾里光束不仅沿抛物线轨迹传播，其反直觉特性更令人称奇：不同于普通光束的扩散传播，它在行进过程中能保持能量集中，甚至具备"自愈"能力——当障碍物阻挡部分光束后，剩余部分在通过障碍物后可自动恢复原始波形。 尽管其他研究团队已成功利用光子或电子等粒子生成艾里光束，但要让中子形成艾里光束则困难得多。透镜无法使其偏转，而中子不带电的特性又使其对电场毫无反应。为此，研究团队必须另辟蹊径。 科学家们最终研制出一种特制衍射光栅阵列——这块仅铅笔橡皮头大小的硅片上，精密蚀刻着由600多万个微米级方格构成的网格结构。这些以精确间距排列的微型方格，能将普通中子束转化为具有特殊传播特性的艾里光束。 虽然在硅片上蚀刻线条的原理看似简单，但要设计出能生成艾里光束的精确图案却绝非易事。 "我们耗费数年时间才确定光栅阵列的正确尺寸，"论文合著者、滑铁卢大学量子计算研究所教授Dmitry Pushin表示，"在滑铁卢大学纳米加工中心实际刻制光栅仅需48小时，但此前博士后研究人员为此进行了长达数年的准备工作。" Huber指出，中子艾里光束有望显著提升中子成像设施的分辨能力。该技术既可提高扫描分辨率，又能生成多焦点对物体特定部位进行精细观测，从而改进中子散射、中子衍射等常规成像技术。 Huber特别强调，最具突破性的应用前景在于将中子艾里光束与其他类型中子束相结合。 Sarenac对此解释道："我们相信复合中子束技术将大幅拓展艾里光束的应用边界。科研人员只需调整我们的技术参数，就能获得针对特定物理或材料研究定制的艾里光束。" 例如，科学家可以将中子艾里光束与螺旋波中子束相结合（该团队早在十年前就已掌握后者的制备技术）。通过叠加这两种波束，研究人员将能深入探究材料的手性特性——这种特性常被形象地称为"分子左右手"，即某些分子虽然互为镜像对称，却可能表现出完全不同的性质特征。 对手性特性的深入研究和表征，将推动特定功能手性分子的研发进程，有望为制药、材料科学和化工制造等领域带来革命性突破。以全球手性药物市场为例，其年产值已突破2000亿美元，而手性催化技术更是众多化工产品生产的核心技术支撑。 随着量子计算和自旋电子学等前沿领域的发展，手性研究正展现出日益重要的应用价值。 Huber解释道："材料的手性特性能够影响电子自旋方向，而自旋极化电子可用于信息存储与处理。通过调控手性，我们还能操纵构成量子计算机基本单元的量子比特。中子艾里光束将大幅提升我们探索这类功能材料的效率。"

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发布时间: 2025-05-30