1. 美国天体物理联合实验室（JILA）的科研团队研发的新型传感器可以检测任何气体中的具体成份

张宇

专业的品酒师通过闻一闻葡萄酒，就能告诉你，你葡萄酒中的具体成份到底是黑皮诺还是赤霞珠。 近日，科罗拉多大学博尔德分校和美国国家标准与技术研究院（NIST）的联合研究机构（JILA）的科学家也实现了类似成份辨别的壮举，只是他们研发的新型传感器对气体成份的辨别能力要强得多。 该团队开发了一种新型激光装置，能够检测任何气体样本并识别其中的大量分子种类。其灵敏度足以检测到低至万亿分之一浓度的分子。此外，该装置的设计足够简单，研究人员可以在多种环境中快速且低成本地使用该方法，从诊断人类患者的疾病到追踪工厂的温室气体排放。 JILA的研究团队已于2025年2月19日将这种新型传感器的详细信息发表在《Nature》期刊上中。 “即使在今天，我仍然觉得难以置信，最强大的传感工具竟然可以用如此简单的方式构建，仅使用成熟的技术组件，但通过利用的巧妙算法赋予它们更强大的功能，”该研究的主要作者、JILA博士生梁启忠说。 为了展示该工具的能力，Liang和他的同事们深入探讨了医学中的一个重要问题：你呼出的空气中有什么？ 研究人员分析了真实人类受试者的呼吸样本，并展示了他们可以识别人们口腔中细菌的种类。该技术有朝一日或许可以帮助医生诊断肺癌、糖尿病、慢性阻塞性肺病（COPD）等更多疾病。 该研究的资深作者、物理学家Jun Ye 表示，这项新研究是在科罗拉多大学博尔德分校和美国国家标准与技术研究院近三十年的量子物理研究基础上进行的，尤其是围绕一种被称为频率梳激光器的专用设备展开的研究。 “频率梳激光器最初是为光学原子钟发明的，但很早以前，我们就发现了它在分子传感方面的强大应用潜力，”JILA 和 NIST 的研究员、科罗拉多大学博尔德分校物理学副教授叶军说。“尽管如此，我们还是花了 20 年时间才使这项技术成熟起来，最终使分子传感具有普遍适用性。” 要理解该团队的技术是如何运作的并不难，事实上所有气体，包括从纯二氧化碳到你吃大蒜后呼出的难闻气体，都带有各种特殊的“指纹信息”。 如果使用跨越多个“光学频率”或颜色的激光器探测这些气体，则气体样品中的分子将以不同的频率吸收这些光。这几乎就像一个窃贼在犯罪现场留下指纹。例如，在之前的一项研究中，Liang和他的同事使用这种激光吸收检测原理来筛选人类呼出的气体样本中是否存在SARS-CoV-2感染的迹象。 频率梳非常适合这种技术，因为与传统激光器不同，它们会同时发射数千到数百万种颜色的光脉冲。（JILA的Jan Hall开创了这些激光器，并因其工作于2005年获得诺贝尔物理学奖）。 但要检测低浓度的分子，这些激光必须穿过数英里或更远距离的气体样本，以便分子能够吸收足够的光。 为了使这种技术具有实用性，科学家们必须在尺寸仅为数英尺的气体容器内实现这样的距离。 “我们用一对高反射率镜子包围气体样品，形成一个'光学腔'，” Liang说。“梳状光现在可以在这些镜子之间反射数千次，从而有效地增加其与分子的吸收路径长度。” 或许这就是目标。在实践中，光学腔很难操作，如果激光与腔体的谐振模式不匹配，激光束就会被弹出。因此，科学家们以前只能在一次性测试中使用窄范围的频率梳光，并且只能检测到窄范围的分子。 在这项新研究中，Liang和他的同事们克服了这一长期存在的挑战。他们提出了一种新技术，并将其命名为调制环形衰减频率梳干涉测量法（Modulated Ringdown Comb Interferometry，简称MRCI，读音为“mercy”）。该团队并没有保持其光学腔的稳定，而是定期改变其大小。反过来，这种晃动使腔体能够接受更宽范围的光谱。然后，该团队利用巧妙的算法成功破解出从腔体中出现的复杂激光强度模型，以确定样品的化学成分。 “我们现在可以使用反射率更高的镜子，并引入光谱覆盖范围更广的频率梳光，”Liang说。“但这仅仅是个开始。使用MRCI我们将可以实现更好的传感性能。 该团队现在正在将其新的气体嗅探器用于人类呼出的气体样本的检测。 “人类呼出的气体样本是最具挑战性的气体样本之一，但确定其分子组成对于其在医学诊断方面的巨大潜力至关重要，”该研究的合著者、叶军实验室的博士生Apoorva Bisht说。 Bisht、Liang和叶军现在正在与科罗拉多大学安舒茨医学园区和科罗拉多儿童医院的研究人员合作，使用MRCI分析一系列呼出气体样本。他们正在研究MRCI是否可以区分出肺炎儿童和哮喘儿童呼出气体样本的不同。同时，该团队还在分析肺癌患者在肿瘤切除手术前后的呼出气体样本的区别，并正在探索该技术是否可以用于慢性阻塞性肺病（COPD）患者的早期诊断。 “在现实世界真实的受试者案例中验证我们的方法将具有极其重要的意义，”叶军说。“通过与科罗拉多大学安舒茨分校的医学同行密切合作，我们致力于充分发挥这项技术在医学诊断方面的全部潜力。”

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发布时间: 2025-04-29

2. 国际计量局（BIPM）使用辐射测温法测量铁的熔化和凝固温度

张宇

近日，国际计量局（BIPM）宣布使用辐射测温法对纯铁（Fe）的熔化和凝固温度进行了精确测量，旨在改进基于1990年国际温标（ITS-90， t90)的温度校准技术。新设计的Fe电池单元，使用标称99.99%纯度的Fe进行填充，适用于辐射测温和热电偶测温，用于测定t90温标下Fe liquidus转变过程的温度。使用校准后的辐射温度计测量Fe的熔化和凝固过程，并使用相同结构的铜电池单元进行发射率修正。测得Fe的熔点和凝固点分别为 1533.79 °C 和 1532.75 °C。根据这些测量结果，我们确定Fe的转变温度为 1533.3 °C，扩展不确定度（k = 2）为 0.8 K。该结果比广泛接受的Fe转变温度低4K; 然而，除了用于计算推荐值的一些文献值外，它与之前的大多数研究结果基本一致。Fe电池单元在多次热循环中表现出高度的可重复性和耐用性，使其成为钯电池单元校准的经济高效且实用的替代品。基于这些发现，国际计量局建议在实际测量中使用Fe电池单元进行定点温度校准。本研究的细节已于2025年2月25日发表在《Metrologia》期刊中。（DOI：10.1088/1681-7575/adb492）

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发布时间: 2025-04-29

3. 美国国家标准与技术研究院（NIST）新发布一种主要使用现成的低成本部件制成的超声吸收光谱仪

张宇

超声吸收光谱仪可以探测分子间相互作用，为化学工程和生物制药过程的研究提供支持。目前唯一的商用超声光谱仪成本超过10万美元，使许多机构望尘莫及。近日，美国国家标准与技术研究院（NIST）设计了一种低成本的超声波吸收光谱仪，它由来自快速原型制造的现成组件和零件组成。研究人员采用直通透射法来定量测量吸收，使用31次脉冲在不同的距离进行测量。与仅依赖两次测量的固定路径技术和脉冲回波方法相比，这些测量显著提高了定量测量吸收的计量精度。研究人员在测量中使用纯水来校正衍射效应，并通过重复测量水来传导不确定性。研究人员通过测量盐溶液和纤维素来验证光谱仪，并将数据与商用光谱仪获得的结果进行比较。两种设备的结果都在误差范围之内。值得注意的是，从这些测量中，研究人员观察到硫酸钪在1MHz附近有一个弛豫峰，此前仅通过共振光谱法报告过一次。NIST新发布的系统为大学研究人员和学生提供了一种低成本的商用超声吸收光谱仪替代方案。 该研究的详细信息已发布在《Proceedings of Meetings on Acoustics》中。（DOI：10.1121/2.0002003）

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发布时间: 2025-04-29

4. 加州理工学院的研究团队开发的DNA折纸技术为可重复使用的多功能生物传感器提供了新途径

张宇

近日，加州理工学院的科学家们使用一种称为DNA折纸的方法开发了一种技术，利用该技术有望制造出更便宜且可重复使用的生物标志物传感器，可用于快速检测体液中的蛋白质，而无需将样本送到实验室中进行检测。 “我们的工作提供了一个概念验证，展示了一种可用于识别和测量核酸及蛋白质的单步方法，”加州理工学院计算与数学科学以及计算与神经系统研究所的访问副教授保罗·罗特蒙德Paul Rothemund（BS '94）说。 一篇描述这项工作的论文最近发表在《美国国家科学院院刊》（Proceedings of the National Academy of Sciences）杂志上。该论文的主要作者是前加州理工学院博士后学者Byoung-jin Jeon和现任研究生Matteo M. Guareschi，他们在Rothemund的实验室完成了这项工作。 2006年，Rothemund发表了第一篇关于DNA折纸的论文，这是一种仅使用DNA即可在纳米尺度上对分子结构设计进行简单而精妙控制的技术。 从本质上讲，DNA折纸技术使长链DNA能够通过自组装折叠成任何所需的形状。（在2006年的论文中，Rothemund曾使用该技术创造出直径为100纳米、厚度为2纳米的微型DNA笑脸）。研究人员从溶液中的一条长链DNA（即支架）开始。由于构成DNA的核苷酸碱基以已知的方式结合（腺嘌呤与胸腺嘧啶结合，鸟嘌呤与胞嘧啶结合），科学家们可以添加数百个短的互补DNA序列，因为他们知道它们会在已知位置的两端与支架结合。这些添加的短DNA片段折叠支架并赋予其形状，就像“钉书钉”一样将结构固定在一起。使用这项技术可以创建纳米级晶体管的各种形状，甚至可用于创建从北美和南美的地图。 在这项新工作中，Rothemund和他的同事们使用DNA折纸技术创造了一个类似睡莲的结构——一个直径约 100 纳米的平坦圆形表面，通过DNA锚链固定在金电极上。睡莲和电极都有一些短的DNA链可与分析物结合，分析物是溶液中的目标分子，无论是 DNA 分子、蛋白质、还是抗体。当分析物与这些短链结合时，睡莲被拉到金表面上，使睡莲上的 70 个报告分子（表明存在目标分子）与金表面接触。这些报告分子是氧化还原反应的活性分子，这意味着它们在反应过程中很容易失去电子。因此，当它们足够靠近电极时，可以观察到电流。更强的电流表明存在更多的报告分子。 此前，凯文·W·普拉克索（Kevin W. Plaxco，1994年博士毕业于加州大学圣塔芭芭拉分校）领导的研究团队开发了一种类似的用于制造生物传感器的方法，该方法使用单条DNA链而不是DNA折纸结构。普拉克索也是当前论文的作者之一。 加州理工学院的瓜雷斯基（Guareschi）指出，新的睡莲折纸结构与单条DNA链相比要大得多。“这意味着它可以在一个单分子上容纳70个报告分子，并在结合之前将它们与表面保持一定距离。然后当分析物结合且荷叶到达电极时，会产生很大的信号增益，使得变化很容易被检测到。”瓜雷斯基说。 睡莲折纸的相对较大的尺寸也意味着该系统可以轻松容纳并检测较大的分子，例如大分子。在这篇新论文中，该团队表明，睡莲和金表面上的两条短 DNA 链可以作为适配器，从而使其成为一种用于检测蛋白质而非DNA的传感器。在这项工作中，研究人员将维生素生物素添加到这些短DNA链中，将该系统转变为链霉亲和素（streptavidin）蛋白的传感器。然后他们添加了一种DNA核酸适配体（DNA aptamer），这是一种可以与特定蛋白质结合的DNA链; 在这种情况下，他们使用了一种能够与血小板衍生生长因子BB（PDGF-BB）结合的核酸适配体，这种衍生因子可用于帮助诊断肝硬化和炎症性肠病等疾病。 “我们只需将这些简单的分子添加到该系统中，它就可以感应到不同的东西，” 加州理工学院的瓜雷斯基Guareschi 说。“它的容量足够大，可以接纳你投送给它的任何东西——无论是核算适配体、纳米抗体、还是抗体片段——而且它不需要每次都完全重新设计。” 研究人员还表明，该传感器可以被多次重复使用，每轮检测都会添加新的适配器以进行不同物质的检测。尽管其性能会随着时间的推移而略有下降，但当前的系统至少可以重复使用四次。 未来，该团队认为该系统或许还会有助于蛋白质组学的发展，蛋白质组学是确定样品中含有哪些蛋白质以及浓度是多少的研究。“你可以同时拥有多个传感器来检测不同的分析物，然后你可以进行清洗、切换分析物并重新测量。你可以多次重复这个过程，“加州理工学院的瓜雷斯基Guareschi说。“在短短几个小时内，您可以仅凭借这一个系统就能测量数百种蛋白质。” 这篇论文《基于模块化DNA折纸的DNA和蛋白质电化学检测》的其他作者包括：来自加州大学洛杉矶分校的Jaimie M. Stewart；来自麻省理工学院的Emily Wu和Ashwin Gopinath；来自约翰·霍普金斯大学医学院的Netzahualcóyotl Arroyo-Currás；来自加拿大舍布鲁克大学的Philippe Dauphin-Ducharme；以及来自纽约圣约翰大学的Philip S. Lukeman。 该团队使用了加州理工学院Kavli纳米科学研究所的制造设备。这项工作得到了美国陆军研究办公室、美国海军研究办公室、美国国家科学基金会以及由默克研究实验室支持的生命科学研究基金会的资助。

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发布时间: 2025-04-29

5. 英国国家物理实验室（NPL）等多个国际组织和机构共同参与发布《人工智能环境可持续性的标准化方法》路线图，旨在应对人工智能环境可持续性挑战

李晓萌

我们生活在一个数字化程度日益加深的世界中，人工智能（AI）的增长和使用呈指数级上升——随着这种增长，其环境影响引发了关注。如何计算、报告、减少并预防这种影响，亟需一种标准化的方法。 为应对这一挑战，近日，多个国际组织和机构共同参与发布《人工智能环境可持续性的标准化方法》路线图，旨在实现资源的高效利用，减少混乱，促进对人工智能环境影响测量的一致性，并推动相关最佳实践的广泛应用。参与者希望制定不冲突的标准来衡量人工智能的环境影响，并鼓励国际标准化机构之间的合作，尽可能避免标准的重复和重叠。英国国家物理实验室（NPL）也参与其中。 该路线图旨在： ·在国际层面协调标准化工作，避免不同倡议之间的重复和矛盾； ·制定共同的指标，以便基于生命周期评估和现有环境管理标准等稳健方法，对人工智能的环境影响进行透明且协调一致的评估； ·通过整合基础设施、模型和算法优化策略，促进生态责任人工智能设计中最佳实践的采用； ·通过在监管机构、科技公司和研究组织之间构建交流机制，鼓励公共和私人行为者之间的合作。 该路线图预计将被广泛的利益相关者使用，包括人工智能开发者（例如构建像ChatGPT这样的新型人工智能解决方案的人）、人工智能用户（将这些解决方案应用于其工作和产品的人）以及人工智能消费者/客户（使用经过人工智能改进的产品的人）。 目前在人工智能可持续性方面存在一些空白，未来标准化工作的第一步是识别并建立以下内容： ·定义透明且共同的指标和报告框架； ·建立指标评估方法； ·人工智能环境影响的缓解最佳实践； · 管理系统。 关于标准化的关键考虑因素包括： ·必须评估人工智能系统的整个生命周期； ·人工智能系统的数据生命周期； ·间接影响； ·在人工智能系统整个生命周期中使用的所有设备。 该项工作源于2024年10月10日在联合国教科文组织总部发起的一项全球倡议，该倡议汇聚了来自国际标准化组织、国际电信联盟和电气与电子工程师协会的专家，并与经济合作与发展组织和联合国教科文组织合作。由可持续发展委员会的生态实验室领导，该倡议促成了四次工作会议的组织，以确保标准化机构之间的更好协调，并优化用于减少人工智能环境影响的资源。 NPL的首席科学家Valerie Livina是该路线图的贡献者之一，她表示：“随着新型人工智能解决方案对能源供应的需求不断增加，提高对其环境影响的认识至关重要。目前，企业对人工智能专用集群的硬件需求规模已达20万块GPU单元，并且还在不断增长，而最新型号的GPU每块可能需要高达1.2千瓦的功率。这使得专注于人工智能的硬件如此耗电，以至于一些大型企业已经开始使用自己的发电站。这条路线图是为了欧盟的‘节俭人工智能’倡议而开发的，并且与NPL领导的CEN/CENELEC关于环境可持续人工智能的技术报告非常一致。”

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发布时间: 2025-04-29

6. 牛津仪器纳米科技公司推出开放式架构低温测量系统

李晓萌

作为牛津大学第一家实质意义上的商业衍生公司，牛津仪器纳米科技公司（Oxford Instruments NanoScience）一直是该行业的标杆企业。近日，该公司推出了全新的用于基础材料物理学的低温超导磁体测量系统TeslatronPT Plus。该系统承诺为用户提供更便捷地高性能测量体验，使用户能够将更多时间用于实际测量任务而非前期的仪器调试，同时获得一个灵活、可扩展且安全的系统。 TeslatronPT Plus采用开放式架构，与封闭的“黑箱”系统相比，为用户提供了更大的灵活性，并可通过终端浏览器界面实现对测量系统的远程操作和控制。此外，TeslatronPT Plus不使用定制的测量软件或强制绑定硬件，并且能够根据研究人员的需求以及实验项目的发展进行扩展和调整。 牛津仪器纳米科技公司董事兼总经理Matthew Martin评论道：“当前大学和研究机构的科研人员面临的压力越来越大，他们需要在资源有限的情况下推进更多的科研项目，并且要快速交付研究成果。基于以上需求，我们希望推出一款世界级的解决方案，该方案基于我们在Cryofree®超导磁体和系统集成领域先进的创新成果。这就是TeslatronPT Plus，它提供了一套真正易于使用且可扩展的解决方案，使我们的客户能够放心的专注于测量任务本身。牛津仪器（Oxford Instruments）提供的经过优化的设置使用户对测量性能充满信心，同时开放式模块化的架构，又允许用户使用已经购置过的其他资产。最终，它使测量工作变得更加简单、灵活和面向未来。 牛津仪器已将Lake Shore的旗舰测量仪器集成到经过大幅升级的TeslatronPT低温磁系统中，该系统配备了新的自动化操作和环境控制功能。TeslatronPT Plus能够对基础材料物理学的关键特性进行表征和研究，其测量能力包括低电阻和高电阻、霍尔棒和范德堡任意几何形状样品的霍尔效应以及I-V特性测量。 TeslatronPT Plus的用户将受益于他们自己熟悉的开源软件，这类软件允许他们根据自己的研究需求构建和调整测量方案，而不受“黑盒”解决方案的限制。TeslatronPT Plus将提供一个基于Jupyter Notebook的Python编程环境，其中预先编写好的脚本能够方便用户立即开展实验，同时允许用户在这个环境中开发完全自定义的脚本。实时可视化和仪表板由一个数据可视化应用程序平台Grafana来提供。开放式架构模块通过QCoDeS驱动程序框架来支持第三方仪器，该框架得益于一个由研究人员和仪器供应商组成的活跃开发者社区，确保任何兼容QCoDeS的仪器都能够轻松集成到TeslatronPT Plus系统中。这种方法使研究人员能够在可靠且灵活的软硬件基础上构建量身定制的测量解决方案。 Oxford Instruments跨平台控制软件oi.DECS无缝集成了低温环境参数——温度和磁场。结合TeslatronPT Plus的自动化功能，oi.DECS缩短了设置时间，确保了实验结果的一致性，并通过网络提供基于浏览器的远程访问，可在任何平台上使用。来自oi.DECS和测量仪器的低温环境数据均进行了完整的时间戳标记，以便进行完全相关的数据分析。 首批预装且附带脚本的软件选项包括Lake Shore的M81同步源测量系统及其M91 FastHall?测量控制器。M81同步源测量系统是一种多功能且模块化的工具，专为科学级低电平电气传输测量而设计——在同一单元中可进行低电平直流和交流锁相测量。Lake Shore的M91 FastHall?测量控制器提供完整的霍尔分析，通过最小化热漂移来提高测量精度，并且对于低迁移率的材料，其测量速度提高了100倍。用户还可以从Oxford Instruments 的多种转接盒和测量探针选项中进行个性化定制，以保证测量到的低噪声信号链是经过充分验证的。 TeslatronPT Plus测量系统和配套软件即将于3月17日至21日在美国加利福尼亚州阿纳海姆举行的2025年APS全球物理峰会上首次现场展示。

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发布时间: 2025-04-29

7. 日本产业技术综合研究所（AIST）证明扫描激光雷达测风可有效测量海岸线附近的海上风况

张宇

近日，日本产业技术综合研究所（AIST）可再生能源研究中心高级研究员 Susumu Shimada 和研究团队负责人 Tetsuya Ogaki ，与Relatec株式会社、E&E Solutions株式会社、日本气象株式会社、Wind Energy Consulting株式会社、国立大学法人神户大学展开合作，共同在Mutsu-Ogawara 海上风观测试验场开展了大规模实证试验，旨在评估扫描式激光雷达测风的测量精度和特性。 长期的现场实验结果表明，使用单个扫描激光雷达的单一观测方法即可准确测量海上风力资源的容量，而使用两个单元的双重观测方法可以准确测量风的波动分量。此外，与使用气象观测桅杆的传统方法相比，通过扫描激光雷达进行海风观测的观测成本有望降低至原来的十分之一，该项目将通过降低观测成本切实的为促进海上风力发电的推广做出贡献。 海上风力发电在全球受到广泛关注，近年来得到了广泛的应用，尤其是在北欧。在实现碳中和社会的重要性日益凸显的情况下，海上风力发电的引入被认为是政府政策中的关键。由于海上风电的发电量完全取决于风力的强度，因此必须提前进行风况调查，以确定海上风力涡轮机安装到所测量风况中的盈利能力。然而，使用气象观测桅杆测量风况的传统方法存在施工成本高和准备时间长等问题。为了解决这些问题，利用光的多普勒效应的激光雷达技术，尤其是将激光水平照射的扫描激光雷达技术，近年来越来越受到关注。 自2010年代以来，AIST一直致力于使用多普勒激光雷达进行风况测量的研究和开发，旨在降低部署和运营成本并提高风力发电的性能。迄今为止，AIST已经在福岛可再生能源研究所进行了垂直激光雷达在山区的实证研究和安装在风力涡轮机上的机舱式激光雷达的实证研究。这一次，AIST利用以往积累的经验，使用水平照射激光的扫描激光雷达对海上风力观测技术进行了现场演示。 这项研究和开发得到了新能源和工业技术综合开发机构（NEDO）的委托项目“固定式海上风电场开发支持项目（建立海上风况调查方法）（2019~2022财年）”的支持。 根据国家政策，海上风力发电预计将部署在专属经济区（EEZ）内，目标开发的海域将进一步向更远的外海延伸。本研究的结果表明，在距离海岸线几公里的范围内进行远程风况测量是有效的，预计那里将安装固定的海上风电场。未来，AIST将进一步改进测量方法，以建立海上测量技术为目标。扩大扫描激光雷达的风况测量范围，该技术有望在风力发电领域进行更大范围的推广，例如浮动海上风电场。未来，AIST的目标是通过积累这样的实证数据，为国际标准化的制定做出贡献。 这项研究的详细信息已于2025年3月11日发表在《Wind Energy》期刊中。（DOI：10.1002/we.70003）

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发布时间: 2025-04-29

8. 中国科学院空天信息创新研究院研制的我国首套航空大地电磁探测系统成功应用于高原铁路建设工程任务

张宇

近日，中国科学院空天信息创新研究院研制的我国首套直升机航空大地电磁探测系统，成功应用于高原铁路建设工程，完成5000米高寒高海拔、复杂地形地貌地区的地质勘查任务，为国家重大铁路建设工程的设计与施工提供了重要的数据支撑。 高原铁路建设工程穿越海拔2500米到5000米的高寒高海拔地区，是我国西部社会经济发展的重要通道。这一工程建设区域地形地貌复杂多变、气象条件极为恶劣、人迹罕至、地层岩性和地质构造极为复杂，存在滑坡、泥石流、风沙、地震、雪害及冻土等工程地质难题，使得地面勘查无法实施。获取准确的地质构造信息是铁路线安全设计、高效施工乃至建成后可靠运维的首要条件。 该团队在国家重点研发计划等项目的支持下，攻克了高灵敏度磁场传感器、大动态信号接收、航空吊舱稳定平台等一批核心关键技术，研制出直升机航空大地电磁探测系统，解决了高寒高海拔、复杂地形地貌、大深度地质构造探测的技术难题。 航空大地电磁探测系统主要由高灵敏度三分量磁场传感器、大动态信号接收与处理、飞行吊舱及稳定控制子系统等组成。该团队基于地球天然电磁场激励，通过数据反演处理获取地下断层、裂隙、地下水和矿产资源等分布情况，准确圈定具有潜在地质安全隐患的风险区域。在历时近2个月的勘查任务中，该团队在高寒高海拔、环境恶劣的野外勘查作业条件下，完成30余架次、累计5000多公里的航空电磁勘查作业任务，最大探测深度大于3000米。 航空电磁探测技术是基于地下介质电性差异实现矿产、水资源和地质构造的探测，具有快速、高分辨率、大范围等优势，是资源勘探和工程勘查的核心技术手段，适用于高原、复杂地形区、森林、沙漠、戈壁、沼泽等人类难以进入区域的地下探测作业。 后续，该团队将持续推动航空大地电磁探测系统的迭代发展与技术创新，为国家重大工程建设、矿产资源开发等提供技术支撑。

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发布时间: 2025-04-29

9. 美国国家标准与技术研究院（NIST）研发了用激光粉末床熔融的新型原位金属粉末评估技术MLTI（调制激光热探测技术）

张宇

近日，美国国家标准与技术研究院（NIST）发现在粉末床增材制造中，对金属粉末的评估至关重要，因为粉末的质量会显著影响最终打印部件的性能。基于以上发现NIST开发了一种新技术，通过分析金属粉末的热性能的变化（特别是比热容和热导率）来表征金属粉末的状态。调制激光热探测技术（MLTI） 利用温度的频域响应来实现这种表征。为了验证 MLTI 的性能，研究人员搭建了一个台式装置，该装置能够识别与不同材料特性相关的独特热响应，包括核心材料检测、粉末年龄、氧含量和粒径分布。粉末由一个功率为7W激光器（445nm）来加热，该激光器以100Hz至2kHz的频率范围进行调制。通过光电探测器来捕获粉末表面的红外辐射，并将信号发送到锁相放大器，从而提取出代表金属粉末特性的解调幅度和相位。研究人员测试了粉末床熔融中使用的各种常见金属粉末，如Cu、AlSi10Mg、SS316L、IN718以及Ti64 G5和G23，进而验证MLTI方法的评估效果。经测试MLTI提供的频域测量显示出比传统方法更低的噪声结果。再通过进一步的机器学习，研究人员就可以准确表征粉末，识别粉末的核心材料，判断粉末是新鲜的还是重复使用的，评估间隙氧含量，验证粉末沉积层厚度，并分析粒径分布。这无疑增强了粉末床增材制造过程中的质量控制和流程监控。

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发布时间: 2025-04-29

10. 美国国家标准与技术研究院（NIST）开展基于H3O+质子转移反应飞行时间质谱（PTR-ToF-MS）检测产物离子分布的机制、传输效应和仪器间差异的研究

张宇

近日，美国国家标准与技术研究院（NIST）的研究人员发现使用水合氢离子（H3O+）电离的质子转移反应质谱（PTR-MS）被广泛用于室内外挥发性有机化合物（VOCs）的测量。已知H3O+电离以及离子-分子反应器中的相关化学反应会生成检测产物离子分布（PIDs），其中包括除质子转移产物之外的其他检测产物离子。NIST的研究人员提出了一种使用气相色谱预分离的方法，用于定量分析近 100 种不同官能团类型的 VOCs（包括醇类、酮类、醛类、酸类、芳香烃类、卤代烃类和烯烃类）的（PTR-ToF-MS）检测产物离子分布。NIST的研究人员描述了仪器配置对PID的影响，研究人员发现反应器电场强度降低、离子光学电压梯度和四极杆设置，这几个因素对测量的PID影响最大。通过将校准筒测量的PID进行实验室间比较，NIST研究人员展示了来自七个参与实验室的同一型号 PTR-MS 产生的PID的可变性。对于PID贡献较大的离子（例如，> 0.30），检测产物离子的变异性通常较小（例如，< 20%），但对于通过O和NO+反应形成的检测产物离子，其变异性则不太可预测。NIST的研究人员提供了一个公开可用的H3O+PTR-MS PID数据库，该数据库将定期使用用户提供的数据进行更新，以便持续研究检测产物离子分布（PIDs）在不同仪器间的差异。

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发布时间: 2025-04-29

11. 中国科学院上海微系统与信息技术研究所研究人员利用“搭积木”方式构建碳化硅片上异质集成量子光源

李晓萌

中国科学院上海微系统与信息技术研究所在集成光量子芯片研究方面取得进展。该研究采用“搭积木”式混合集成策略，将III-V族半导体量子点光源与CMOS工艺兼容的碳化硅（4H-SiC）光子芯片异质集成，构建出新型混合微环谐振腔。这一结构实现了单光子源的片上局域能量动态调谐，并通过微腔的Purcell效应提升了光子发射效率，为光量子芯片的大规模集成提供了全新解决方案。 针对量子点光源与微腔片上集成的技术瓶颈，该团队创新性地提出了“搭积木”式的混合集成方案。这一方案采用微转印技术，将含InAs量子点的GaAs波导精准堆叠至4H-SiC电光材料制备的微环谐振腔上。低温共聚焦荧光光谱测试发现，得益于GaAs与4H-SiC异质波导的高精度对准集成，光场通过倏逝波耦合在上下波导间高效传输，形成“回音壁”模式的平面局域光场。该结构的腔模品质因子达到7.8×103，仅比原始微环下降约50%，展现了优异的光场局域能力。 进一步，该研究在芯片上集成微型加热器，实现了量子点激子态光谱的4nm宽范围调谐。这一片上热光调谐能力使腔模与量子点光信号达到精准匹配，实现了微腔增强的确定性单光子发射。实验测得Purcell增强因子为4.9，单光子纯度高达99.2%。 为验证这一技术的扩展潜力，该研究在4H-SiC光子芯片上制备出两个间距250μm的量子点混合微腔。研究通过独立局域调谐，克服了量子点生长导致的固有频率差异，实现了不同微腔间量子点单光子信号的频率匹配。 该工作在4H-SiC芯片上同步实现了光源调谐、Purcell增强与多节点扩展，兼具高纯度与CMOS工艺兼容性。结合4H-SiC优异的电光调制特性，该技术有望推动光量子网络向实用化迈进。 近日，相关研究成果以A hybrid single quantum dot coupled cavity on a CMOS-compatible SiC photonic chip for Purcell-enhanced deterministic single-photon emission为题，发表在《光：科学与应用》（Light: Science & Applications）上。（DOI：10.1038/s41377-024-01676-y）。

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发布时间: 2025-04-29

12. 美国能源部橡树岭国家实验室（ORNL）的研究人员揭示了一种测量磁性材料高速波动的新方法

张宇

近日，美国能源部橡树岭国家实验室（Oak Ridge National Laboratory）的研究人员在纳米尺度（尺寸为十亿分之一米）上，利用单量子比特传感，揭示了一种测量磁性材料高速波动的新方法。该方法将为量子材料的发展带来新变化，从而推进传统计算到新兴量子计算领域的技术发展。该研究成果以发表在《Nano Letters》期刊上。 许多材料都会经历相变，其特征是重要的基本属性随温度呈阶梯式变化。了解物质在临界转变温度附近的状态是开发利用独特物理特性的新材料和技术的关键。在这项研究中，该团队使用纳米级的量子传感器来测量磁性薄膜在相变状态附近的自旋波动。在室温下具有磁性的薄膜对于数据存储、传感器和电子设备至关重要，因为它们的磁性可以被精确地控制和操纵。 该团队在纳米相材料科学中心（ORNL的美国能源部科学办公室用户设施）使用了一种名为扫描氮空位中心显微镜的专用仪器。氮空位中心是金刚石中原子级的缺陷，其中氮原子取代了原来碳原子的位置，且相邻的碳原子缺失，从而形成了量子自旋态的特殊构型。在氮空位中心显微镜中，量子自旋态的缺陷能够对静态和动态磁场做出不同的反应，使研究人员能够在单个自旋态的水平上检测仪器的反馈信号，以确定纳米级结构的形态。 ORNL材料科学与技术部的研究人员Ben Lawrie说：“氮空位中心既充当量子比特（qubit），又是一个高度敏感的传感器，我们在薄膜上方移动它，以测量磁性和自旋波动的温度相关变化，这是任何其他方式都无法测量的。 当受自旋方向控制的材料的磁性不断改变方向而不是保持固定时，就会观察到自旋波动。该团队测量了薄膜在不同磁态之间经历相变时的自旋波动，这种相变是通过改变样品温度诱导的。 这些测量揭示了自旋波动的局部变化是如何在相变附近与全局变化联系在一起的。这种对相互作用自旋态的纳米级理解可能会催生出新的基于自旋的信息处理技术，并对广泛的量子材料类别有更深入的了解。 “自旋电子学的进步将提高数字存储和计算效率。与此同时，如果我们能学会控制自旋与其环境之间的交互，那么基于自旋的量子计算向大家展示的计算机仿真模拟的诱人前景将是以往任何传统计算架构都不可想象的。“Lawrie说。 这种类型的研究集合了ORNL在量子信息和凝聚态物理学方面的能力。Lawrie说：“如果我们能够利用最新的量子资源来获得对材料中经典态和量子态的新理解，这将有助于我们设计出在网络、传感和计算方面有实际应用的新型量子设备。 美国能源部基础能源科学计划资助了这项研究。 UT-Battelle作为美国能源部橡树岭国家实验室（ORNL）的非营利性管理和运营承包商。 授权为美国能源部（DOE）科学办公室管理ORNL。作为美国物理科学研究的最大单一支持者，科学办公室始终致力于应对我们这个时代最紧迫的挑战。

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发布时间: 2025-04-29

13. 美国国家标准与技术研究院（NIST）开发了激光&物质相互作用基础（FLaMI）粉末床熔融试验台的设计和校准方法

张宇

近日，美国国家标准与技术研究院（NIST）开发了一个实验室测试台来研究激光&物质相互作用（FLaMI）的基本原理。通过基于激光的金属粉末床熔融 （PBF-LB/M） 对金属部件进行增材制造的优势已越来越多地应用于各行各业的实际生成环境。但是，这种制造技术的更广泛采用需要在高度受控的条件下应用先进的计量学原理对计算模型和此类过程中的原位监测进行实验验证。这种计算模型和原位监测系统的验证对于需要鉴定和认证的应用尤为重要。由于机器性能的各种限制和未知因素，这种受控条件和先进的计量技术无法在商用 PBF-LB/M 机器中轻松实现。NIST在文章中概述了开发此类系统以及准确校准和表征机器性能的材料和方法。（DOI：10.6028/NIST.AMS.100-66）

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发布时间: 2025-04-29

14. 美国国家标准与技术研究院（NIST）选择HQC作为第五个后量子加密算法

李晓萌

2024年，美国国家标准与技术研究院（NIST）对一组加密算法进行了标准化，这些算法可以使数据免受未来量子计算机的网络攻击。如今，NIST选择了一种备用算法，为通用加密任务提供第二道防线，保护互联网流量和存储数据。 加密技术保护着敏感的电子信息，包括互联网流量、医疗和金融记录，以及公司和国家安全机密。然而，如果未来真的建造出功能足够强大的量子计算机，它将能够破解这种防御。NIST已经花了八年多的时间研究即使是量子计算机也无法破解的加密算法。 2024年，NIST发布了一种基于名为ML-KEM的量子抗算法的加密标准。而新算法HQC将作为备用防御，以防量子计算机有朝一日能够破解ML-KEM。这两种算法都旨在保护存储的信息以及在公共网络上传输的数据。 负责美国国家标准与技术研究院（NIST）后量子密码学项目的数学家Dustin Moody表示，HQC 并非旨在取代 ML-KEM，ML-KEM 仍将是通用加密的推荐选择。 他表示：“各组织应继续将其加密系统迁移到我们在 2024 年最终确定的标准。我们宣布选择 HQC 是因为我们希望有一个基于与 ML-KEM 不同数学方法的备用标准。随着我们对未来的量子计算机的了解不断深入，并适应新兴的密码分析技术，拥有一个备用方案至关重要，以防 ML-KEM 被证明存在漏洞。” 基于两个数学问题的加密 加密系统依赖于传统计算机难以或无法解决的复杂数学问题。然而，一台能力足够的量子计算机却能迅速地筛选出这些数学问题的大量可能解，从而攻破现有的加密技术。 虽然ML-KEM算法是基于一种称为结构化格栅的数学思想构建的，但HQC算法则是基于另一种称为纠错码的概念构建的，纠错码在信息安全领域已经使用了几十年。穆迪表示，HQC算法比ML-KEM算法更为冗长，因此需要更多的计算资源。然而，其简洁且安全的操作方式使审查者确信，它将是一个值得信赖的备用选择。 当下及未来的标准 HQC 是美国国家标准与技术研究院（NIST）后量子密码学项目选出的最新算法。该项目自 2016 年起便着手应对量子计算机可能带来的威胁。HQC 将与 NIST 之前选出的四种算法并列。在之前选出的四种算法中，有三种已经被纳入完成的标准，其中包括作为 FIPS 203 标准核心的 ML-KEM。 另外两个完成的标准 FIPS 204 和 FIPS 205 则包含数字签名算法，这种“电子指纹”能够验证发送者的身份，例如在远程签署文件时。这三项完成的标准已经可以投入使用，各组织也已经开始将它们集成到信息系统中，以确保未来的信息安全。 以 FALCON 算法为基础的第四个标准的草案也涉及数字签名，即将作为 FIPS 206 发布。 HQC 是从 NIST 第四轮候选算法中选出的唯一一个标准化的算法。最初这轮候选算法包含四个值得进一步研究的算法。NIST 发布了一份报告，概述了这四个候选算法，并详细说明了为何选择 HQC。 NIST 计划在大约一年内发布基于 HQC 的草案标准以供公众评议。在 90 天的评议期之后，NIST 将对收到的评议进行处理，并最终确定该标准于 2027 年发布。

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发布时间: 2025-04-29

15. 美国国家标准与技术研究院（NIST）的研究人员发现测量分辨率增强了晶格费米子的相干性

张宇

近日，美国国家标准与技术研究院（NIST）的研究人员发现弱测量能够从量子系统中提取目标信息，同时最大限度地减少由于测量反向作用而导致的退相干性。然而，在多体量子系统中，反作用可能会对波函数坍缩产生意想不到的影响。于是研究人员从理论上研究了一个最小的多粒子模型，该模型由一维晶格中微弱测量的非相互作用费米子组成。无论初始状态如何，使用单个站点分辨率对现场占用数进行重复测量都会随机地将系统推向Fock状态。对于那些即使在原则上也没有单点空间分辨率的测量，情况可能并非如此。研究人员通过数值计算表明，对于最多具有 16 个位点的系统，降低空间分辨率会强烈影响每个量子轨迹的随机演化速率以及允许的最终状态。完整的希尔伯特空间可以划分为无反作用子空间 （BFS），这些子空间的元素对于这些测量来说是无法区分的。重复测量会将任何初始状态驱动到一个单一的BFS中，从而产生一个稳态，这个稳态就是测量过程的固定点。我们精确计算了多达 32 个站点系统对应的BFS特性，发现即使在适度降低测量分辨率的情况下，它们也会产生非平凡的稳态纠缠和相干性。

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发布时间: 2025-04-29

16. 国际计量局（BIPM）举办计量与数字化论坛（FORUM-MD），探讨数字化转型对测量科学的影响

李晓萌

在数字化转型迅速发展的时代，计量学正处在一个关键的十字路口。随着全球各地的行业将人工智能、自动化和数字基础设施相结合，对于精确、可互操作以及可信的测量数据的需求变得前所未有的迫切。 近日，在国际计量局（BIPM）举办的计量与数字化论坛（FORUM-MD）上，全球专家们深入探讨了数字化进步对测量科学的影响。 讨论强调了一个基本事实：计量学不仅在适应数字化时代，还在塑造其根基。 构建数字化计量框架 数字化的核心是数据。然而，在互联世界中，测量数据若要有用，必须遵循FAIR原则——可查找性、可访问性、互操作性和可重复使用性。论坛上的专家强调，结构化、机器可读的格式对于确保数据能顺利整合进人工智能驱动的系统、国际监管框架和工业流程中至关重要。 这一转变需要全球认可的数字标识符和标准化格式，以实现测量结果的跨国界可比性。若缺乏这些保障措施，数字生态系统将面临碎片化风险，这将危及从精密制造到医疗技术等众多领域。 自动化和人工智能：变革测量科学 最重要的发展之一是从传统的纸质校准证书向数字校准证书（DCCs）的转变。 DCCs 提供安全、防篡改且机器可读的记录，确保校准数据的准确性，并能无缝集成到数字基础设施中。通过消除手动转录错误并增强可追溯性，DCCs 正在为全自动、实时测量系统铺平道路。 然而，随着人工智能驱动的工具成为测量科学的核心，论坛专家强调了强大的数据质量标准的重要性。人工智能模型的可靠性取决于其训练数据的质量——这意味着测量数据中的任何错误、偏差或不一致都可能产生深远的后果。计量学对于支撑人工智能的国际协议至关重要，并能确保人工智能应用的可信度和准确性。 展望未来：数字计量的全球挑战 随着计量学迈入数字化时代，有一点显而易见：合作是关键。向完全数字化测量生态系统的转变，需要国家计量研究所、政策制定者、行业领导者和人工智能专家之间的协作。 2025年计量与数字化论坛的讨论强调了对统一数字测量标准方法的需求——这将确保各行业的互操作性，促进全球贸易并支持新兴技术的发展。

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发布时间: 2025-04-29

17. 北京大学与山西大学研究团队合作，在连续变量光量子芯片领域取得重大突破

李晓萌

2025年2月20日，北京大学物理学院现代光学研究所王剑威教授和龚旗煌教授课题组与山西大学苏晓龙教授课题组合作，在国际顶级学术期刊《自然》（Nature）上发表一项以“基于集成光量子频率梳芯片的连续变量多体量子纠缠”（Continuous-variable multipartite entanglement in an integrated microcomb）为题的突破性研究成果。该团队在国际上首次实现了基于集成光量子芯片的连续变量簇态量子纠缠，为光量子芯片的大规模扩展及其在量子计算、量子网络和量子信息等领域的应用奠定了重要基础。研究团队通过创新性地发展超低损耗的连续变量光量子芯片调控技术和多色相干泵浦与探测技术，成功在氮化硅集成频率梳微环腔的真空压缩频率超模上确定性地制备出多比特纠缠簇态，并实现不同簇态纠缠结构的可重构调控。同时，团队利用van Loock-Furusawa判据实验违背和完备的nullifier（零化子）关联矩阵测量，对连续变量簇态的纠缠结构进行了严格实验判定。这一研究成果不仅解决了以往集成光量子芯片面临的扩展性难题，还为未来实现更大尺度的量子纠缠与量子调控提供了新的技术路径。该成果标志着集成光量子芯片技术在量子信息处理领域的重要突破，为量子计算和量子网络的实用化发展提供了关键技术支撑。 量子信息的基本单元是量子比特（qubit）或量子模式（qumode），二者可统称为量子比特。它们可分别通过离散变量和连续变量编码在光量子体系中实现，各具优缺点。例如，基于单光子的离散变量体系能够实现超高保真度的量子比特操作，但其面临的主要挑战是制备量子比特和量子纠缠存在概率性。根据现有技术手段，离散变量量子纠缠的制备成功率随比特数增加呈指数下降，这限制了其可扩展性。相比之下，基于光场正交分量编码的连续变量体系能够确定性产生量子比特和量子纠缠，尽管其操控保真度略低，却为大尺度光量子纠缠态的制备提供了一条极具前景的技术路径。 集成光量子芯片是一种能够在微纳尺度上编码、处理、传输和存储光量子信息的先进平台。自2008年国际上实现首个离散变量集成光量子芯片以来，集成光子芯片材料和技术取得了显著进展，并在离散变量光量子信息领域发挥了重要作用。然而，连续变量集成光量子芯片的发展面临诸多挑战：一方面，集成光学参量放大过程要求芯片具备高光学非线性和低光学损耗等高性能；另一方面，对片上多模压缩光场与纠缠的机理理解不足，多模纠缠调控与验证也存在技术瓶颈。这些因素导致连续变量光量子芯片的研究长期处于起步阶段，其编码与纠缠的比特数仅限于单模或双模压缩态，而多模（多比特）量子纠缠态的片上制备与验证仍极具挑战性。 纠缠簇态作为一种典型的多比特量子纠缠态，在量子信息科学中具有极其重要的地位。簇态不仅是单向量子计算的核心资源，还在量子纠错和容错量子计算中发挥关键作用，同时为量子网络的构建提供了重要支持，并可用于模拟复杂的多体量子系统。尽管簇态纠缠的重要性已被广泛认可，但其大规模制备技术仍面临诸多挑战。此前，光量子芯片上的簇态纠缠研究主要集中在离散变量体系，确定性地制备大规模纠缠簇态面临巨大实验困难，而连续变量簇态的片上制备和验证技术在国际上仍属空白。 在本研究中，研究团队首次在国际上实现了基于集成光量子芯片的连续变量纠缠簇态的确定性制备、可重构调控与严格实验验证。这一突破性成果不仅填补了连续变量光量子芯片领域的关键技术空白，还为大规模量子纠缠态的制备与操控提供了全新的技术路径，对推动量子计算、量子网络和量子模拟等领域的实用化发展具有非常重要的意义。 值得一提的是，当前纠缠模式数目的限制主要来自集成微腔的尺度（即频率间隔）和多色泵浦光的数目。团队已成功解决了基础的科学问题，为未来实现更大规模簇态纠缠及其在量子信息处理中的应用奠定了重要的物理基础。面向大规模扩展主要依赖于工程技术的优化，例如，通过先进芯片加工技术制备更大尺度的微腔，以及利用相位锁定的光学频率梳进行激发等工程手段，可以显著提升纠缠态的规模和复杂度。 论文原文链接:https://www.nature.com/articles/s41586-025-08602-1

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发布时间: 2025-04-29