2016年光學(xué)界十大科研突破

回顧2016年，光學(xué)領(lǐng)域發(fā)生的很多事件都值得銘記。中國(guó)激光特從全球光學(xué)界精選出10項(xiàng)科研突破，帶領(lǐng)大家重溫2016年那些與“光”有關(guān)的日子。

1． 一次歷史性的漣漪

LIGO Hanford（上圖）和Livingston（下圖）探測(cè)器所觀測(cè)到的GW150914引力波事件

2016年2月11日，激光干涉儀引力波天文臺(tái)（LIGO）科學(xué)合作組織向全世界宣布：人類首次直接探測(cè)到了引力波。這個(gè)被命名為GW150914的引力波事件，發(fā)生于距離地球十幾億光年之外的遙遠(yuǎn)星系中。該信號(hào)于2015年9月14日由LIGO位于美國(guó)Hanford與Livingston的兩臺(tái)探測(cè)器同時(shí)觀測(cè)到。該發(fā)現(xiàn)結(jié)束了長(zhǎng)達(dá)數(shù)十年時(shí)空漣漪的尋找，標(biāo)志著引力波天文學(xué)時(shí)代的開(kāi)始。同時(shí)它為愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論最后一個(gè)未經(jīng)證實(shí)的預(yù)言提供了重要驗(yàn)證。LIGO科學(xué)合作組織于2016年6月宣布在LIGO 探測(cè)器的數(shù)據(jù)中確認(rèn)了又一起引力波事件GW151226，它發(fā)生在2015年12月26日，科學(xué)家們第二次觀測(cè)到引力波�；�于這些革命性的成就，激光干涉引力波天文臺(tái)（LIGO）科學(xué)家團(tuán)隊(duì)獲得2016物理世界年度突破大獎(jiǎng)。

2． 我國(guó)科學(xué)家成功利用超強(qiáng)超短激光獲得“反物質(zhì)”

超強(qiáng)超短激光產(chǎn)生正電子示意圖

2016年3月，中科院上海光機(jī)所強(qiáng)場(chǎng)激光物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室利用超強(qiáng)超短激光，成功產(chǎn)生反物質(zhì)——超快正電子源，這是我國(guó)首次報(bào)道利用激光產(chǎn)生反物質(zhì)。獲得反物質(zhì)超快正電子源將對(duì)激光驅(qū)動(dòng)正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)等具有重要意義。未來(lái)，在高能物理、材料無(wú)損探測(cè)、癌癥診斷技術(shù)研發(fā)領(lǐng)域有應(yīng)用前景，由于其脈寬只有飛秒量級(jí)，可使探測(cè)的時(shí)間分辨大大提高，有望獲得更高分辨率的正電子成像，進(jìn)而研究物質(zhì)性質(zhì)的超快演化。

3． 軌道角動(dòng)量微激光器

軌道角動(dòng)量微型激光器示意圖

2016年7月，布法羅大學(xué)的研究人員在《自然》雜志發(fā)表論文稱，他們揭示了一種“螺旋渦流形激光”，用軌道角動(dòng)量（OAM）這一光操作技術(shù)來(lái)推動(dòng)激光技術(shù)的發(fā)展。他們用軌道角動(dòng)量（OAM）以螺旋狀圖案分布激光，并證明了半導(dǎo)體環(huán)形諧振腔激光器可以產(chǎn)生單模OAM漩渦激光，能精確定義OAM模式拓?fù)潆姾�。相比常�?guī)的激光而言，光束的形狀使其在光通信的數(shù)據(jù)編碼方面擁有更大的自由度。該全新技術(shù)使用了通過(guò)螺旋路徑運(yùn)行的漩渦光束，從而將數(shù)據(jù)編碼為漩渦式扭曲。這種基于光的通信工具，能在螺旋路徑中實(shí)現(xiàn)大量數(shù)據(jù)的快速傳輸，進(jìn)而解決隨著信息共享需求不斷增長(zhǎng)而帶來(lái)的數(shù)據(jù)傳輸?shù)臐撛谄款i。

4． 世界首顆量子通信衛(wèi)星升空

量子通信衛(wèi)星概念圖

2016年8月16日凌晨，人類歷史上第一顆用于量子通信研究的量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星“墨子號(hào)”在酒泉發(fā)射升空，為建立覆蓋全球、天地一體化的量子通信網(wǎng)絡(luò)奠定了技術(shù)基礎(chǔ)，也拉開(kāi)了量子通信時(shí)代的帷幕。半個(gè)世紀(jì)前，物理學(xué)家基于量子理論，研制出了晶體管和激光器，催生了第一次信息革命，讓計(jì)算機(jī)、智能手機(jī)和互聯(lián)網(wǎng)重塑了人類世界。今天，量子信息科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，則催生著第二次信息革命的出現(xiàn)。以“量子密鑰分發(fā)”和“量子態(tài)傳輸”為代表的量子通信技術(shù)，以超高計(jì)算能力為代表的量子計(jì)算機(jī)，必將在未來(lái)重塑人類世界。

5． 中國(guó)空間冷原子鐘定時(shí)世界

由上海光機(jī)所研制的空間冷原子鐘

2016年9月15日，由中科院上海光機(jī)所研制的空間冷原子鐘搭乘“天宮二號(hào)”空間實(shí)驗(yàn)室來(lái)到太空。這臺(tái)“定時(shí)神針”能夠?qū)崿F(xiàn)約3000萬(wàn)年誤差1秒的超高精度，是國(guó)際首臺(tái)在軌運(yùn)行并開(kāi)展科學(xué)實(shí)驗(yàn)的空間冷原子鐘，也是目前在空間運(yùn)行的最高精度空間冷原子鐘。空間冷原子鐘的成功將為空間高精度時(shí)頻系統(tǒng)、空間冷原子物理、空間冷原子干涉儀、空間冷原子陀螺儀等各種量子敏感器奠定技術(shù)基礎(chǔ)，并且在全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)、深空探測(cè)、廣義相對(duì)論驗(yàn)證、引力波測(cè)量、地球重力場(chǎng)測(cè)量、基本物理常數(shù)測(cè)量等一系列重大技術(shù)和科學(xué)發(fā)展方面做出重要貢獻(xiàn)。

6． 中科院成功研制光譜“解碼芯片”母機(jī)

科研人員在為光柵檢測(cè)做準(zhǔn)備工作

2016年11月11日，中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光機(jī)所成功研制出大型高精度衍射光柵刻劃系統(tǒng)，并刻劃出世界最大面積的中階梯光柵（400mm×500mm），光柵刻劃系統(tǒng)和光柵都達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。該成果結(jié)束了我國(guó)高精度大尺寸光柵制造受制于人的局面，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白。研制成功的光柵刻劃?rùn)C(jī)刻槽精度可以在約20公里行程范圍內(nèi)保證刻槽間距誤差小于一根頭發(fā)絲的千分之一。

7． 量子通信再獲突破 “十光子”糾纏刷新紀(jì)錄

十光子糾纏偏振態(tài)實(shí)驗(yàn)裝置圖

2016年11月，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉及其同事陸朝陽(yáng)、陳宇翱等組成的研究小組在國(guó)際上首次成功實(shí)現(xiàn)十光子糾纏，打破了之前由該研究組保持多年的八光子紀(jì)錄，再次刷新了光子糾纏態(tài)制備的世界紀(jì)錄。潘建偉小組利用兩種不同的技術(shù)途徑制備了收集效率、保真度和光子全同性這三個(gè)綜合性能國(guó)際最優(yōu)的脈沖糾纏光子源，并在此基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了十光子純糾纏和可提純糾纏態(tài)的實(shí)驗(yàn)制備和嚴(yán)格驗(yàn)證。這一突破表明我國(guó)繼續(xù)引領(lǐng)國(guó)際多光子糾纏和干涉度量研究，研究成果將可應(yīng)用于遠(yuǎn)程量子通信和實(shí)用化量子計(jì)算等大尺度量子信息技術(shù)。

8． 信息科學(xué)角度的編碼超材料

編碼超材料能夠?qū)⑦h(yuǎn)場(chǎng)輻射方向圖向任意設(shè)計(jì)方向任意偏轉(zhuǎn)

東南大學(xué)崔鐵軍教授課題組提出了一種新型人工電磁編碼超材料，這是一種通過(guò)全數(shù)字的方式對(duì)超材料進(jìn)行表征、分析和設(shè)計(jì)的全數(shù)字超材料，相比于傳統(tǒng)的基于等效媒質(zhì)理論的“模擬超材料”，編碼超材料對(duì)電磁波的調(diào)控功能取決于所賦予的編碼序列，極大地簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)流程和難度。得益于編碼超材料基于全數(shù)字分析這一屬性，他們創(chuàng)新性地將信號(hào)處理中的離散卷積定理應(yīng)用于遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖的調(diào)控，即通過(guò)在已有的編碼圖案上疊加另一個(gè)梯度編碼序列，即可將其遠(yuǎn)場(chǎng)輻射方向圖朝著某個(gè)設(shè)計(jì)方向任意偏轉(zhuǎn)，這種將遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖旋轉(zhuǎn)到更大角度的操作類似于傅里葉變換中將基帶信號(hào)搬移到高頻載波的過(guò)程。同時(shí)，他們首次提出利用信息熵來(lái)分析和估計(jì)編碼超材料所蘊(yùn)含信息量的大小，揭示了編碼圖案的幾何熵與遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖的物理熵之間的正比關(guān)系，并指出這一新發(fā)現(xiàn)將有助于推進(jìn)編碼超材料在多波束無(wú)線通信、雷達(dá)探測(cè)以及壓縮感知成像等領(lǐng)域的應(yīng)用。

9． 我國(guó)首顆碳衛(wèi)星發(fā)射成功 高光譜微納衛(wèi)星伴航

“碳衛(wèi)星”發(fā)射升空瞬間

2016年12月22日3時(shí)22分，我國(guó)在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心用長(zhǎng)征二號(hào)丁運(yùn)載火箭成功將全球二氧化碳監(jiān)測(cè)科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星（簡(jiǎn)稱“碳衛(wèi)星”）發(fā)射升空。這是我國(guó)首顆、全球第三顆專門用于“看”全球大氣中二氧化碳含量的衛(wèi)星。此外，本次任務(wù)還搭載發(fā)射中科院微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院自主安排研制的1顆高分辨率微納衛(wèi)星和2顆高光譜微納衛(wèi)星。衛(wèi)星發(fā)射后，將用于全球地表高光譜數(shù)據(jù)快速采集，服務(wù)國(guó)家農(nóng)業(yè)估產(chǎn)、林業(yè)病蟲(chóng)害監(jiān)測(cè)、環(huán)境保護(hù)、災(zāi)害監(jiān)測(cè)和資源開(kāi)發(fā)，是實(shí)現(xiàn)“光譜中國(guó)”目標(biāo)的重要環(huán)節(jié)。

10． ALPHA研究小組首次觀察到了反物質(zhì)的光譜

歐洲核子研究中心

2016年12月，位于日內(nèi)瓦的歐洲核子研究中心的ALPHA研究小組首次測(cè)量一個(gè)反物質(zhì)原子的光譜，為高精度的反物質(zhì)的研究開(kāi)辟了一個(gè)嶄新的時(shí)代。它的結(jié)果是歐洲核子研究中心反物質(zhì)委員會(huì)超過(guò)20年的工作成果。隨著達(dá)到了由慢反質(zhì)子實(shí)現(xiàn)的原子光譜和碰撞實(shí)驗(yàn)建立的電子和反質(zhì)子質(zhì)量比以及BASE合作組織確定的荷質(zhì)比的極限，這表明歐洲核子研究中心的反物質(zhì)的基本對(duì)稱性測(cè)試迅速成熟。