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2015年度国家科学技术奖揭晓"多光子纠缠及干涉度量"获国家自然科学奖一等奖

1月8日，2015年度国家科学技术奖励大会在人民大会堂召开，共评出国家自然科学奖42项，国家技术发明奖66项，国家科学技术进步奖187项，中华人民共和国国际科学技术合作奖7人。

自然科学奖为中国自然科学领域的最高奖，旨在奖励在基础研究和应用基础研究领域，阐明自然现象、特征和规律，做出重大科学贡献的中国公民。此前，华罗庚、吴文俊、钱学森等均曾获此殊荣。中国科学技术大学潘建伟团队在广域量子通信和光学量子信息处理等领域取得了一系列具有重要国际影响的原始创新成果，为我国在新兴的量子信息产业抢占先机、成为领跑者奠定科学基础，由此获得国家自然科学奖一等奖。

量子信息科学是上世纪九十年代以来国际上最活跃的前沿研究领域之一，量子信息的物理研究和技术实现将人类利用量子力学认识和改造世界的实践带到了一个新的历史高度，并对国家信息安全和战略性信息产业产生深远的影响，同时量子调控技术还可用以实现高精度的精密测量手段，将应用于自主导航、医学检验、物理学基本常数测定、引力波探测等领域。

多粒子纠缠的相干操纵是发展实用化量子信息技术的必备条件。以潘建伟团队为代表的中国科学家在国际上引领和推动了多光子纠缠干涉量度学的发展，取得了广域量子通信和光学量子信息处理等领域的系统性关键突破，并在此基础上将量子保密通信技术带入现实应用，赢得国际学术界广泛认可。

潘建伟团队的重要成就包括：

系统性地发展了多光子纠缠和干涉技术，并用于量子力学基础检验。在国际上首次实验制备和严格验证具有多体纯纠缠的多光子纠缠态。2004年，实现对五光子纠缠的操纵，为当时世界上所有物理系统项目组的的最多纠缠粒子数目，首次达到量子纠错必需的比特数目。在随后的2007、2010和2012年，项目组三次打破并刷新自己的记录，率先实现六光子纠缠、五光子十比特超纠缠和八光子纠缠，并保持纪录至今。

利用多光子操纵率先实现量子信息处理关键技术和重要算法。首次实现终端开放量子隐形传态、两粒子复合态量子隐形传态和量子远程克隆；通过量子容失编码和拓扑量子纠错实验，证明容错量子计算的可行性；全面演示了量子信息领域的重要算法，包括独立光子之间的逻辑门操作、大数分解算法、搜索算法、求解线性方程组量子算法和“任意子”分数统计现象的量子模拟。

面发展了面向实用化保密量子通信的光量子传输方法，奠定了广域量子通信的科学基础。首次克服实用量子通信的两大安全隐患，突破安全距离超百公里的光纤量子密钥分发、全通型量子电话和规模化城域量子网络，实现了量子通信在城市范围内的实用化；发展了国际上综合性能最好的量子存储器，从理论上提出并实验实现了可升级量子中继基本单元，使得量子通信在城际之间的实用化成为可能；在国际上引领自由空间量子通信技术的发展，率先突破了远距离量子通信穿越大气层等效厚度和克服高损耗星地通道的关键技术，实现了百公里量级的纠缠分发和量子隐形传态，为未来实现基于星地量子通信的全球化量子网络奠定了科学和技术基础。

智能骨科引领医学新时代

北京积水潭医院，北京航空航天大学“基于影像导航和机器人技术的智能骨科手术体系建立及临床应用”在2015年度国家科学技术奖颁奖中获国家科技进步奖二等奖。

该成果通过医工企协同创新，突破了手术导航、手术机器人、远程手术等关键技术群，形成了一套符合我国临床实际、拥有完全自主知识产权的骨科智能化手术体系。首次提出骨科双平面算法，定位精度较国际提高20%；研制我国首台完全骨科机器人，获国内唯一医疗外科机器人III类器械注册证；建立国内首家骨科机器人手术中心；并建立了骨科智能化手术新标准、新术式和新型培训模式，加快了我国骨科智能化进程。在全国22省区56家医院开展应用，受益患者12万余人。

“风光互补”自主式水面机器人-高智商的水面清洁工

由中科院合肥研究院智能研究所“973”首席科学家刘锦淮研究员带领导的一个研究小组最新研发了一款名为“风光互补”自主式水面机器人。这款水面自动清洁机器人由水面漂浮物自动回收装置和水面机器人组成，类似于家庭清洁机器人，主要应用于各种海洋、湖泊、河道、滩涂及景区内的湖泊、池塘的固体垃圾、浮萍等清理，以及危险区域进行远程作业，提高安全性和高效性。

该水面机器人相对于现有水面无人船具有独特优势：

动力来源于大容量电池、风力和太阳能发电混合电源系统，解决了水面机器人长时间持续巡航的动力问题；

采用视觉和雷达双模目标识别方法，在此基础上自主开发了水面目标的路径优化和自主壁障等智能算法，解决了水面机器人的全局路径规划和局部实时避障问题；

融合了多模导航系统、三维电子罗盘、驱动器自动调速控制技术、高带宽无线数据实时传输技术以及人工智能等技术，解决了水面目标自动控制问题。

此外，以水面机器人为通用平台，可搭建多种水质监测仪器，例如小型化重金属检测仪器、不同深度水质自动采样装置以及水质原位在线检测装置等，小型化后集成到水面机器人平台之中，形成水质监测移动实验室，取代目前常用的水质固定监测站或者监测浮标，实现任意水域、全天候、水质立体断面的原位和低成本实时水质监测、分析与预警。

据相关科研人员介绍，国内现有的水面机器人水质检测与采样技术一般只能在线检测常规的水质五参数指标，很难全面检测水中有机物、营养盐和重金属，无法实现水中重金属等重要污染物的原位和实时检测。另外，现有技术一般只能检测水域的浅层水，无法检测水域中不同深度层面的水质立体断面污染分布状况。

利用铁电聚合物极化制备高灵敏光电探测器

上海技术物理研究所红外物理国家重点实验室胡伟达、王建禄等研究人员对二维半导体带隙调控及高性能光电探测器件进行研究，利用铁电聚合物极化制备低功耗、高可靠性、高灵敏光电探测器，相关成果被Advanced Materials编辑选为期刊卷首发表。

近年来，二维半导体材料在光电探测领域的研究受到高度关注。基于场效应管结构，利用外置栅压耗尽二维半导体沟道的载流子，是该类光电器件实现高灵敏探测主要途径。研究人员构建了铁电聚合物P(VDF-TrFE)替代传统氧化物的铁电场效应结构，利用铁电极化形成的内建电场耗尽沟道载流子，制备的光电器件探测率达2.2×1012Jones，λ=635nm。

此外，铁电极化形成的巨内建电场，可使得二维过渡金属硫属化合物表面重构，从而实现了对二维半导体能带结构的调控，进而延展了过渡金属硫属化合物二硫化钼光电探测波长，探测截至波长从850nm延伸至1550nm的短波红外。

这项工作提供了利用铁电极化局域场操控二维材料能带结构及光电特性新方法，为推进二维材料在光电子器件及电子器件等领域的应用都具有重要意义。

互联网+微传感器=10000倍能效

德国佛莱堡大学微系统工程系教授Tolgay Ungan为主导的研究团队开发出一款免电池太阳能供电的因特网传感器系统，可用于监测博物馆艺术品的温度、湿度或气压。多种低功耗技术的使用，使该系统的能源效率较传统的无线解决方案高10,000倍。

因特网传感器系统采用专利的无线唤醒技术，能够唤起数万个处于睡眠模式下的微型传感器，使其得以收集测量资料，经由无线局域网络(WLAN)或GSM网络直接传送测量值至因特网。传感器系统也不必使用基地台，透过因特网记录数据后，即自动透过电子邮件或SMS发送提醒简讯至指定的人员。

系统使用一种用于室内的特殊太阳能电池供电，即使是在光线条件不好时也能顺利作业。不过，它至少需要 50Lux的亮度，如果环境光线低于50 Lux，就必须使用整合的能量缓冲器以确保长效作业。

除了使用太阳能电池供电、不使用基地台或备用电池而降低成本以外，这种因特网传感器系统的另一项特点是在太阳能电池的表面使用特殊涂层，使得该组件的颜色可因展厅的需要而调整。此外，这种传感器系统还能用于监测参观游客的流量。

同时感知热量和压力的新型电子皮肤

由韩国蔚山国家科学技术研究所Jonghwa Park教授带领的一个研究小组最新研发了一种“电子皮肤”，能够同时感知热量和压力，可用于制造更加逼真的假体，或者提高可穿戴传感器和医学诊断设备的精确度。

在测试中，电子皮肤的凹槽能够感知到流经的水滴，并且能够探测到头发放在其表面的压力。此前电子皮肤很难实现同时高灵敏探测热量和不同类型的压力。

研究人员模拟手指指纹凹槽结构设计了铁电薄膜，显微放大人体指尖皮肤的“山脉脊状”结构，通过添加聚合物制成复合材料和减少氧化石墨烯，该薄膜能够探测到触觉和温度变化。研究人员通过水滴测试了电子皮肤对外部变化的响应，发现电子皮肤能够在不同压力和温度下探测到水滴落下，甚至可以探测到人类头发产生的微小压力。

用于追踪人体重要器官的吞咽传感器

人们有多种方法可以监测自己的健康和健身状况，例如依靠健身手环计量行走的步数、跑步的距离，甚至是监测心跳是否在正常范围内。不过，对于想了解与身体状况有关的更详细和更复杂信息的人群来说，吞咽一个传感器可能是个不错的主意。

麻省理工学院的研究人员最近开发了一款传感器，传感器被封装在一个大小与维生素药丸基本相当的硅胶胶囊中，人们把它吞咽下去后，传感器可以评估使用者的病情、监视战斗中的士兵、对慢性病患者进行长期评估、甚至用于帮助提高运动员的训练水平。此外，它还能通过心脏跳动和肺部呼吸发出的独特声音计算心率和呼吸频率。

研究人员说，这类传感器可以取代穿着不够舒适的可穿戴传感器，未来希望最终能用于诊断疾病和传输治疗疾病的药物。

100美元？新型荧光寿命成像技术使癌症检测常规化

来自麻省理工学院的研究人员正在进行一种被称为荧光寿命成像的技术研究，它只需花费100美元，就可以快速地完成癌症检测，节省时间金钱，有望用于替代成本高达10万美元的癌症检测装置，这种实用的诊断技术有望在发展中国家更快地普及。

该技术采用荧光寿命，即荧光发光时间技术，这些荧光能吸收光并在短时间内重新发出光。 通过与特定化学物质反应作用，荧光的吸收和发射之间的时间间隔能通过一种可预测的方式干预改变。对于癌细胞，荧光物质需要更长的时间来吸收和发射这些光，而利用目前的显微技术测量，其成本高昂。

研究人员已经找到了如何利用更廉价的技术，并结合特定的计算机算法来获得相同的荧光时间数据。类似Kinect技术，飞行时间传感器“看到”图像的原理和蝙蝠飞行类似，蝙蝠是利用超声波在空中导航飞行，声波碰到障碍物会反弹信号，而飞行时间传感器使用的光脉冲。为解决传感器灵敏度不够的问题，研究人员还找到了一种能发射50种不同频率光波的方法。有了这些数据，计算机就能找到适合所有测量距离和时间的等式。

研究人员介绍说，“我们正在探索拓展时间结果成像技术的使用范围，希望将其惠及所有成像相关检测，并且填补不足，将不可能变为可能。”

英国人将大面积石墨烯制造成本降低了100倍

石墨烯虽只有单一原子厚，但非常灵活，而且比钢还要硬，能有效导热和导电。然而，石墨烯的工业化大规模应用仍受制于高昂的生产成本。英国格拉斯哥大学的研究人员最近利用成熟的商用铜箔，将制备大面积石墨烯的成本成功降低了100倍。在近日出版的《科学报告》杂志上，由该大学工程学院莱文达·达西亚博士领导的研究团队解释了如何将制备大面积石墨烯的成本降低如此之多。

石墨烯的制备通常要经过化学气相沉积（CVD）过程，在特殊表面膜的衬底上生成气体反应物。研究团队利用锂离子电池负极上常用的商业化铜箔生成高质量石墨烯，超光滑的铜箔表面为石墨烯的生成提供了优秀的反应床。结果显示，用新方法生成的石墨烯在导电性和光学性能方面有明显改善。

达西亚博士算了一笔帐，这种方法的成本大约是$1.00/m2，而目前广泛使用的制备方法为$115.00/m2，而且还需提前对它进行额外加工，又增加了一部分成本。

达西亚说：“我们的团队以较低的成本生产出高质量石墨烯，向大规模生产制造可负担的应用型新材料电子元器件推进了一大步。”

用血糖仪检测汞离子——汞离子现场检测新手段

近日，广州生物医药与健康研究院的一个研究小组发布了一种生物传感器，利用常规血糖仪即可完成汞离子的在线检测，价格便宜、体积小、操作简单、能够及时快速地提供定量的结果。

这种方法基于介孔硅纳米颗粒可控葡萄糖释放体系，在汞离子存在下，T-T错配的双链核酸形成，介孔硅上吸附的单链核酸从而脱落，介孔硅的孔洞打开，葡萄糖得到释放，随之加入核酸外切酶Ⅲ，酶反应将从平端的3’-5’的方向降解一条核酸，剩余的单链会继续与介孔硅上吸附的核酸杂交，形成循环，放大信号，最后用常规的血糖仪来检测葡萄糖含量，再换算为样品中汞离子的含量。

该方法灵敏度高，特异性好，检测限可达到0.1 nM，线性范围为0.1～80nM。由于摒弃了传统的基于色谱、抗体或特异核酸序列为基础的检测方法，为重金属汞离子的现场检测提供一种新的手段。