最強中國：首個全氮陰離子鹽、最亮極紫外光源、最遠光纖傳輸距離量子密鑰

　　最強中國：首個全氮陰離子鹽、最亮極紫外光源、最遠光纖傳輸距離量子密鑰分發、最快超級計算……

　　2017-01-29 11:00

　　中國研發全球最亮極紫外光源欲揭開霧霾形成之謎

　　來源：界面新聞，作者：鄧雅蔓

　　光是由光源產生的，大連光源的峰值亮度是太陽光亮度一百億倍的平方。極紫外光具有能夠電離幾乎所有的組成普通物質的原子和分子的特性，使得它只能在真空中傳播。

　　霧霾成了中國高新科技發展的一種「催化劑」。

　　據中國科學院（下稱中科院）公眾號1月18日報道，「十三五」期間，中國將耗資48億在北京建設一台高性能的高能同步輻射光源——北京光源，其亮度和相干度（相位差恆定的光差）將成為「世界之最」。

　　北京光源預計2018年11月開工，預計花費六年時間。

　　

　　第三代光源——上海光源的全局圖 來源：中國科學網

　　在此三天前，中科院宣布大連化學物理研究所和上海物理應用研究所聯合研製的大連光源，達到了單個皮秒激光脈衝產生140萬億光子，成為全球最亮且波長完全可調的極紫外線自由電子激光光源。據美國《環球科學》（Universal Scientific）雜誌網站報道，大連光源將幫助中國找出霧霾形成的機制。

　　

　　大連光源實景攝影圖 來源：上海應用物理研究所胡蔚成

　　上述兩大光源有一個共稱——同步輻射光源，是一種利用相對論性電子在磁場中偏轉時產生同步輻射的高性能新型強光源，最早出現於20世紀60年代末，截止目前全世界已建成50多台。

　　光是由光源產生的，光源又有天然與人工之分，天然光源只包括太陽，人工光源除了北京光源和大連光源，還包括平常生活中用到的蠟燭、電燈和激光等。太陽雖然作為光源力量強大，但與人工光源相比，利用率很低。

　　

　　光源虛構設計圖 來源：網路

　　「要看到物質里的細節，很重要的一點是要足夠的亮度，解析度和亮度直接呈現正相關。」中科院高能物理研究所研究員董宇輝接受央視採訪時表示，同步輻射光除了可以利用X光測量各種物質的原子結構，還能應用於研發航天材料領域。

　　

　　大連光源實景攝影圖 來源：中科院網站

　　中科院網站消息，目前科學家們對霧霾的形成機理還沒有完全搞清楚，因為霾在空氣中形成的過程中，涉及到多種化學物理反應包括光化學反應等。利用大連光源的光極紫外軟電離技術，將可以研究霧霾裡面污染分子比如二氧化硫、二氧化碳等的聚集過程，從根本上理解霧霾形成的機理，助力潔凈能源和大氣機理研究。

　　「大連光源不僅能夠給分子原子拍照片，而且還能給它們拍視頻，是一個動態的研究過程。」上海物理應用研究所所長趙振堂表示。

　　

　　大連光源局部攝影圖 來源：視覺中國

　　光的本質是電磁波，本身帶有能量，波長越短，光子的能量就越高。可見光的波長大致處於400-700納米之間，其光子能量可以刺激人的視覺細胞產生信號，而波長小於可見光的紫外光會對人體產生危害，比如UVA（320-400納米）和UVB（270-320納米）紫外光；當波長短到100納米附近時，一個光子所具備的能量就足以電離一個原子或分子而又不會把分子打碎，這個波段的光稱為極紫外光。

　　

　　上海光源的內部攝影圖 來源：中國科學網

　　「極紫外光具有能夠電離幾乎所有的組成普通物質的原子和分子的特性，使得它只能在真空中傳播。」大連化學物理研究所戴東旭表示。

　　作為自然科學協會基金委員會國家重大儀器專項資助的第一個經費過億的項目，大連光源於2012年正式啟動，2014年10月開工建設，2016年10月完成基建工程以及主題光源裝置的研製，在兩個月時間內調試出世界上單脈衝最亮的極紫外激光。此外，大連光源90%的儀器由中國自主研發，其峰值亮度相當於第三代光源——上海光源的百億倍，而上海光源的峰值亮度是太陽光的百億倍。

　　除了能源領域，大連光源在化學、物理和生物等多個研究領域有著廣泛應用。

　　404公里！量子密鑰分發的最遠光纖傳輸距離

　　來源：知識分子，作者：林梅

　　【編者按】近日，中國科學技術大學的潘建偉及其同事張強、陳騰雲等人，清華大學王向斌以及中科院上海微系統所、濟南量子技術研究院等單位科研人員合作，首次報道了404公里光纖的量子密鑰分發實驗記錄，這項工作不僅是測量設備無關的量子密鑰分發，同時也是所有類型的量子密鑰分發的最新光纖安全傳輸記錄[1]。該工作於2016年11月2日發表在美國《物理評論快報》（Physical Review Letters）。「該實驗為遠距離城市間安全的量子通信鋪就了道路」，《物理評論快報》的編輯推薦語寫道。

　　隨著量子通信科學實驗衛星「墨子」的發射升空，「量子通信」的名字可謂是家喻戶曉。對這種絕對保密通信方式，人們充滿了好奇，也產生了不少疑問。比如，它的傳輸效率夠高嗎？它可以傳得足夠遠嗎？如果它的中繼站被襲擊，還能保證安全嗎？總之可以概括為：量子通訊真的好使嗎？

　　如果你認為這些問題只是外行人說的外行話，那就大錯特錯了，在量子通信邁向實用化的路上，這幾個問題還真是不容小覷的攔路虎，科研人員需要一個一個地解決才行。

　　如同萊特兄弟的飛機並不能把你從紐約帶到東京，量子通信要真正「用著好使」，就必須加強以下三點：增加安全通信距離、提高安全成碼率、提高現實系統的安全性。

　　理論上說，量子密鑰分發（quantum key distribution，即QKD）可以確保分隔兩地的用戶安全交換密鑰，但是實際上，我們的器件並不是那麼完美，從而給攻擊者留下了一些可能的漏洞。比如，理論上要求光源發射單光子，因為單光子的量子狀態不可複製、不可竊聽。但實際上我們一般採用的是弱相干光子源[2]，這就產生了光源不完美的漏洞。再弱的相干光都存在多光子成分，可能發出兩個或更多光子。針對弱相干光的這一特點，攻擊者可以採取所謂的PNS（photon-number splitting）攻擊，簡單地說，可以理解為：在光源發射方發出多光子后，攻擊者竊取一個光子，剩餘光子傳給接收者。如果攻擊者與接收者進行相同基矢測量，就能獲得與接收者相同的信息，也就是竊取信息。另外，攻擊者也有可能攻擊探測器，比如利用強光改變探測器的光子探測模式、利用不同探測值測量時間不同竊取或控制測量值等，導致探測器只看到攻擊方想讓你看到的信號。為了克服這些漏洞，科研人員想了很多方案改進技術。

　　解決光源漏洞的問題

　　2003年，韓國學者Won-Young Hwang提出了誘騙態量子密鑰分發的基本方法[3]。這一方法怎麼解決光源不完美的漏洞呢？清華大學物理系的王向斌教授從事量子信息研究多年。他曾經做過一個有趣的比喻：有一口井，大家都想喝到其中甘甜的井水，但是不幸的是，這井裡混合了一種毒液，必須把毒液蒸餾掉才能盡情飲用健康的井水。那麼問題來了：蒸餾掉多少合適呢？如果對毒液的百分比估計過大，會白白蒸餾掉很多健康的井水；如果蒸餾的過少，毒液沒去乾淨，人喝了會致命。所以問題的關鍵歸結到了正確估計健康井水百分比的下限。在密鑰分配中，單光子響應就是研究人員需要的「甘甜的井水」，多光子響應就是「致命的毒液」，研究人員必須估計一下單光子計數率的下限和誤碼率的上限，並且在考慮統計漲落的情況下儘可能的接近真實值。

　　2004年，加拿大圓周理論研究所的D. Gottesman等人詳盡分析了各種不完備情況下量子密鑰分發的安全成碼率。這篇被稱作GLLP（GLLP為四位作者D. Gottesman, H. K. Lo, N. Lütkenhaus,和J. Preskill的姓氏首字母縮寫）的文章成為了量子密鑰分發安全性分析的里程碑[4]。它專門分析了標記單光子源對成碼率的影響。常用的弱相干光可以看做一種標記單光子源，對誘騙態量子密鑰分發的成碼率估計就是以GLLP為基礎。誘騙態協議的過程大致是：發送方隨機調製幾種不同光強的強度態（一般是信號態、誘騙態、真空態），根據GLLP分析，利用不同強度光源被探測到的概率和探測為錯誤的概率都一樣這條性質，聯立方程組，便可得出單光子計數率的下限和誤碼率的上限，也就知道該「蒸餾」掉多少「致命的毒液」了。

　　2005年，王向斌教授和加拿大多倫多大學的羅開廣、馬雄峰、陳凱等人分別獨立提出了一個誘騙態量子密鑰分發方案，使其可以很好地用於實際系統，後來的兩年，中國、美國、奧地利的幾個小組都對誘騙態量子密鑰分發進行了完善，光源的漏洞問題得到了很好解決。

　　理論上說，除了多光子成分問題，光源的漏洞還有其他方面，比如態的製備並不完美，所以誘騙態方案並沒有完全堵上光源方面漏洞。不過，這些漏洞從實際的角度上來說，可以通過對光源的精確標定來規避。

　　堵住探測器的漏洞

　　光源的漏洞堵上了，那麼探測器漏洞的問題應該如何解決呢？

　　2012年，加拿大的Hoi-Kwong Lo教授提出了「測量設備無關的量子密鑰分發」（The measurement-device-independent QKD, 簡稱MDIQKD），並且由科大的潘建偉小組、張強、陳騰雲等與清華大學馬雄峰等組成的聯合研究小組，利用與美國斯坦福大學聯合開發的高效低雜訊上轉換單光子探測器，於2013年在世界上首次實現了MDIQKD，關閉了所有探測器件漏洞，這也入選了美國物理學會年度重要進展。

　　這是一種能夠對探測器端攻擊進行免疫的法寶，它巧妙地利用了時間反演，可以說是逆向思維的成功案例。

　　我們知道，BB84協議的提出者Bennett和Brassard以及康奈爾大學的Mermin在原本BB84協議思想和測量方式的基礎上，利用糾纏資源，提出了新的BBM92協議，它與BB84協議等價。傳統的BBM92協議是利用一個糾纏源向分隔兩地的接收端（研究人員稱兩個接收端分別為Alice和Bob）發送一對糾纏光子對，這樣，兩地共享一對糾纏光子，然後進行測量。但是恐怖的是，Alice和Bob這兩個探測器如果不安全了、被敵人控制了怎麼辦？那時候研究人員只能看到敵人想讓我們看到的信息，或者乾脆信息泄露（與針對光源漏洞的攻擊實現難度較大不同，有些針對探測器漏洞的攻擊方案已經成功進行了實驗演示）。

　　可是沒關係，科學家有辦法——可以反著來啊。研究人員乾脆把Alice和Bob作為光源，它們各發送一個光子給第三方Charlie（光子按BB84編碼方案，用2組非正交基矢進行製備，Charlie可能是忠實的第三方，也可能已經是心懷叵測的攻擊者），Charlie對兩個光子進行Bell態測量，得到一個可能的Bell態，Charlie公布這個結果，據此，Alice和Bob相應地共享一對糾纏光子。

　　

　　► 圖1 基於EPR分發的BBN92協議和基於時間反演EPR分發的MDIQKD協議。[5]

　　讀者朋友可能要問了，Charlie作為探測器，一旦被攻擊了，敵人不還是能知道發送的信息嗎？這就要說到這個協議的巧妙之處了。Alice或Bob除了擁有一套用來發送光子的系統，還有一套虛擬系統，這兩個系統之間存在糾纏。Alice將光子發送出去的時候，並不知道自己發出去的是什麼態，只是把虛擬系統進行保存，直到Charlie宣布了Bell測量結果，Alice再去測量虛擬系統，從而知曉剛才自己發送的光子態。自始至終，Charlie啥信息也得不到。

　　傳得更多、更遠

　　現在，光源的安全漏洞被基本解決、探測器的安全漏洞都被完全堵住，接下來的任務無非是：增加安全通信距離、提高安全成碼率。換句話說，解決相同信息量傳得更遠、相同距離信息更多的問題。

　　說到這，不得不提光纖量子通信的歷史。世界上第一個量子通信實驗是在自由空間[6]做的，但是自由空間有建築物阻擋，光很難按我們需要的路線行走。隨著光纖技術的發展，瑞士日內瓦的科學家1993年開始用光纖來做量子通信實驗。從此，量子通信開始了光纖和自由空間兩條腿走路的歷史。2005年之前，研究人員利用光纖只能實現50-70公里通信，且存在安全漏洞，並不實用；2005年之後的各種進展，如上所述，關閉了光源和探測器的漏洞，優化了通信方案，誘騙態方案的量子通信可以做到百公里送幾千比特/秒的信息傳輸效率（並未用上MDI方案，並不絕對安全），這個效率意味著可以打電話了，人們看到了實用化的希望。

　　由於單光子不可分割、不可複製，不能像傳統通信那樣進行複製放大，所以百公里幾乎已成量子通信的極限（之前MDIQKD最長距離記錄為200公里，由中國科學技術大學潘建偉團隊在2014年實現，該實驗在100公里處只能獲得每秒鐘幾個比特的安全密鑰，且較大的統計漲落使得必須要一個很大的數據量才能獲得有限密鑰，這些都限制了它的實際應用）。如果每百公里設置一個中繼站，又必須保證中繼站足夠可信、不被攻擊，還是沒有充分發揮量子通信的保密優點。

　　歷史一再告訴我們，極限，就是用來突破的。

　　近日，中國科學技術大學的潘建偉及其同事張強、陳騰雲等人，清華大學王向斌以及中科院上海微系統所、濟南量子技術研究院等單位科研人員合作，首次報道了404公里光纖的量子密鑰分發實驗記錄，這項工作不僅是MDIQKD，同時也是所有類型的QKD的最新光纖安全傳輸記錄。

　　他們是怎麼做到的呢？

　　

　　►圖2 MDIQKD系統的實驗裝置圖

　　近年來，人們一直試圖通過參數的優化提高安全成碼率和傳輸距離，但事實證明，對於長距離MDIQKD，統計漲落將嚴重影響效率，僅僅憑藉參數的優化難以實現大的飛躍。為了根本上解決這個問題，王向斌小組提出了誘騙態的一個升級版——最優化4強度誘騙態方案。與傳統的誘騙態方案里發送方發送一個真空態、一個誘騙態、一個信號態不同，這種最優化4強度誘騙態方案里，發送方Alice或Bob各包含四個光源，分別發送一個真空態、兩個誘騙態和一個信號態。在分析統計漲落的時候對不同光源進行聯合考慮，並且計算成碼率時，整體考慮單光子對的產率和相位錯誤率最壞的情況，再通過優化光強及其對應的概率分佈，提高了單光子計數率的下限、降低了誤碼率的上限，使得它們更接近真實值，也就是說，在保證「蒸餾」掉「致命的毒液」同時，保留了更多「甘甜的井水」。

　　實驗效果究竟如何呢？

　　我們先來看看102公里處的情況，在這個距離上，實驗獲得的成碼率比先前實驗在100公里處的成碼率高了兩個數量級，同時，數據積累的時間和總數據量都有了2-3個數量級的改善，非常之高效。此外值得一提的是，在不考慮漲落下，該實驗102公里處的安全成碼率接近3千比特/秒,也就是說足以保證一次一密加密的語音通話。

　　在更長的距離上表現如何呢？對於標準光纖，實驗將安全密鑰傳輸距離拓展到了311公里，要知道，同樣的裝置、同樣的條件，傳統的BB84協議即使不考慮統計漲落、即使使用理想單光子源，也不可能在這麼長的距離下安全成碼。

　　實驗人員測試了不同距離下的成碼錶現，發現在207公里處，獲得了9.55比特/秒的安全成碼率，這比之前的實驗在相同傳輸距離和相同數據積累時間下提高了超過500倍，其中，50倍的提高來源於四強度誘騙方案，另外的10倍來源於裝置的改進和數據分析方法調整。

　　但是，311公里這個史無前例的傳輸距離還是不能讓科研人員滿足。

　　他們又用上了康寧公司的超低損耗光纖將量子密鑰分發的光纖安全傳輸記錄刷新至404公里！這一成果是一項兼顧了安全和實用的遠距離量子通信方案，被美國《物理評論快報》選為編輯推薦。該實驗打破了BB84協議下單光子源的傳輸極限，是量子密鑰分發的最遠傳輸記錄，《物理評論快報》的審稿人評價說。

　　接下來，科研人員希望在一兩百公里的距離上，實現更高的成碼率，有更高的信息傳輸效率，配合中繼站和衛星，實現全球化量子通信。

　　感謝中國科大博士尹華磊、碩士生鄒密對本文的貢獻。

　　製版編輯：姚蘭婷

　　中國合成全氮陰離子鹽科幻「N2爆彈」將實現！

　　來源：新華網

　　新華網南京1月27日電（記者凌軍輝）南京理工大學化工學院胡炳成教授團隊近日成功合成世界首個全氮陰離子鹽，佔領新一代超高能含能材料研究國際制高點。相關研究論文27日發表在國際頂級期刊《科學》上，這也是我國在《科學》上發表的含能材料領域第一篇研究論文。

　　胡炳成教授介紹，新型超高能含能材料是國家核心軍事能力和軍事技術制高點的重要標誌。全氮類物質具有高密度、超高能量及爆轟產物清潔無污染等優點，成為新一代超高能含能材料的典型代表。目前，該領域的研究熱點之一是全氮陰離子的合成。由於製備全氮陰離子的前驅體芳基五唑穩定性較差，加上全氮陰離子自身不穩定，致使採用常規方法獲取全氮陰離子非常困難。自1956年芳基五唑被首次合成以來，製備穩定存在的全氮陰離子及其鹽的研究一直沒有取得實質性進展。

　　胡炳成教授團隊經過多年研究，解決了這一困擾國際含能材料研究領域達半個多世紀的世界性難題，在全氮陰離子的合成中取得了重大突破性進展。他們創造性採用間氯過氧苯甲酸和甘氨酸亞鐵分別作為切斷試劑和助劑，通過氧化斷裂的方式首次製備成功室溫下穩定全氮陰離子鹽。熱分析結果顯示這種鹽分解溫度高達116.8℃，具有非常好的熱穩定性。

　　全氮陰離子鹽的成功製備，是全氮類物質研究領域的一個歷史性突破，為全氮陰離子高能化合物的製備奠定了堅實基礎，對於全氮類物質的合成應用以及全氮含能材料的發展具有重要的科學意義。

　　

　　高性能含能材料不僅可以用來製造大爆竹，也是下一代大「竄天猴」——運載火箭的關鍵技術，新型材料將可大幅度提升火箭的比沖，有望大幅度提高運載火箭性能

　　中國百億億次超級計算機年底出爐

　　來源：快科技

　　

　　中國已經稱霸全球超級計算機排行榜好多年了，天河一號、天河二號、神威太湖之光相繼震驚世界，而面向未來，我國的超算規劃更加宏大。

　　2016年，天津超算中心聯手國防科技大學，啟動了新一代百億億次超級計算機樣機系統的研製，目前已經取得階段性成果，預計2017年底研製成功。

　　百億億次超級計算機也稱「E級超算」，被全世界公認為「超算界的下一頂皇冠」，將在解決人類共同面臨的能源危機、污染和氣候變化等重大問題上發揮巨大作用。

　　除了國防科技大學，中科曙光、江南計算技術研究 所也同時獲批進行百億億次超算的原型系統研製項目，三頭並進。

　　中國預計在2020年建成並投用百億億次超級計算機。

　　中國18億建最強地震預報系統：秒級預警

　　來源：快科技

　　

　　目前，地震預報至今仍是世界性的難題，我國大陸是世界上地震活動最強烈和地震災害最嚴重的國家之一。因此，更需要投入更多研發資源來探索和建設地震預警系統。

　　中國地震局發布消息，我國「十三五」期間的重大工程——國家地震烈度速報和預警工程目前已進入初步設計階段，預計在2017年年底前「上馬」。

　　按計劃，國家地震烈度速報和預警工程將用5年左右的時間建設完成，屆時發生破壞性地震，我國將能提供秒級地震預警信息服務。

　　為實現這一目標，國家地震烈度速報和預警工程需要在未來投資18.5億元，在全國建設1960個配置測震儀和強震儀的基準站、3309個配置強震儀的基本站、10241個配置烈度儀的一般站。在包括華北地區、南北地震帶、東南沿海地震帶、新疆天山地震帶的重點區域內，三類台站平均間距為12.5公里。

　　據了解，國家地震烈度速報和預警工程將包括站點觀測、數據處理、信息發布、網路和運行保障五大系統。除了能為重點區域提供秒級的地震預警服務，還能在全國範圍內實現1至2分鐘發布地震基本參數速報信息，2至5分鐘發布烈度速報信息，30分鐘至24小時持續提供地震災害評估信息，24小時后產出更為豐富的信息產品。

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