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。中國激光特從全球光學(xué)界精選出10項科研突破，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)探測器所觀(guān)測到的GW150914引力波事件

　　2016年2月11日，激光干涉儀引力波天文臺(LIGO)科學(xué)合作組織向全世界宣布：人類(lèi)首次直接探測到了引力波。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星系中。該信號于2015年9月14日由LIGO位于美國Hanford與Livingston的兩臺探測器同時(shí)觀(guān)測到。該發(fā)現結束了長(cháng)達數十年時(shí)空漣漪的尋找，標志著(zhù)引力波天文學(xué)時(shí)代的開(kāi)始。同時(shí)它為愛(ài)因斯坦的廣義相對論最后一個(gè)未經(jīng)證實(shí)的預言提供了重要驗證。LIGO科學(xué)合作組織于2016年6月宣布在LIGO 探測器的數據中確認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(guān)測到引力波?；谶@些革命性的成就，激光干涉引力波天文臺(LIGO)科學(xué)家團隊獲得2016物理世界年度突破大獎。

　　2. 我國科學(xué)家成功利用超強超短激光獲得“反物質(zhì)”

　　超強超短激光產(chǎn)生正電子示意圖

　　2016年3月，中科院上海光機所強場(chǎng)激光物理國家重點(diǎn)實(shí)驗室利用超強超短激光，成功產(chǎn)生反物質(zhì)——超快正電子源，這是我國首次報道利用激光產(chǎn)生反物質(zhì)。獲得反物質(zhì)超快正電子源將對激光驅動(dòng)正負電子對撞機等具有重要意義。未來(lái)，在高能物理、材料無(wú)損探測、癌癥診斷技術(shù)研發(fā)領(lǐng)域有應用前景，由于其脈寬只有飛秒量級，可使探測的時(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(chēng)，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模式拓撲電荷。相比常規的激光而言，光束的形狀使其在光通信的數據編碼方面擁有更大的自由度。該全新技術(shù)使用了通過(guò)螺旋路徑運行的漩渦光束，從而將數據編碼為漩渦式扭曲。這種基于光的通信工具，能在螺旋路徑中實(shí)現大量數據的快速傳輸，進(jìn)而解決隨著(zhù)信息共享需求不斷增長(cháng)而帶來(lái)的數據傳輸的潛在瓶頸。

　　4. 世界首顆量子通信衛星升空

　　量子通信衛星概念圖

　　2016年8月16日凌晨，人類(lèi)歷史上第一顆用于量子通信研究的量子科學(xué)實(shí)驗衛星“墨子號”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，也拉開(kāi)了量子通信時(shí)代的帷幕。半個(gè)世紀前，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，讓計算機、智能手機和互聯(lián)網(wǎng)重塑了人類(lèi)世界。今天，量子信息科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，則催生著(zhù)第二次信息革命的出現。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)，以超高計算能力為代表的量子計算機，必將在未來(lái)重塑人類(lèi)世界。

　　5. 中國空間冷原子鐘定時(shí)世界

　　由上海光機所研制的空間冷原子鐘

　　2016年9月15日，由中科院上海光機所研制的空間冷原子鐘搭乘“天宮二號”空間實(shí)驗室來(lái)到太空。這臺“定時(shí)神針”能夠實(shí)現約3000萬(wàn)年誤差1秒的超高精度，是國際首臺在軌運行并開(kāi)展科學(xué)實(shí)驗的空間冷原子鐘，也是目前在空間運行的最高精度空間冷原子鐘?？臻g冷原子鐘的成功將為空間高精度時(shí)頻系統、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，并且在全球衛星導航定位系統、深空探測、廣義相對論驗證、引力波測量、地球重力場(chǎng)測量、基本物理常數測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。

　　6. 中科院成功研制光譜“解碼芯片”母機

　　科研人員在為光柵檢測做準備工作

　　2016年11月11日，中國科學(xué)院長(cháng)春光機所成功研制出大型高精度衍射光柵刻劃系統，并刻劃出世界最大面積的中階梯光柵(400mm×500mm)，光柵刻劃系統和光柵都達到國際領(lǐng)先水平。該成果結束了我國高精度大尺寸光柵制造受制于人的局面，填補了國內空白。研制成功的光柵刻劃機刻槽精度可以在約20公里行程范圍內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”糾纏刷新紀錄

　　十光子糾纏偏振態(tài)實(shí)驗裝置圖

　　2016年11月，中國科學(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際上首次成功實(shí)現十光子糾纏，打破了之前由該研究組保持多年的八光子紀錄，再次刷新了光子糾纏態(tài)制備的世界紀錄。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?chē)H最優(yōu)的脈沖糾纏光子源，并在此基礎上，實(shí)現了十光子純糾纏和可提純糾纏態(tài)的實(shí)驗制備和嚴格驗證。這一突破表明我國繼續引領(lǐng)國際多光子糾纏和干涉度量研究，研究成果將可應用于遠程量子通信和實(shí)用化量子計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

　　編碼超材料能夠將遠場(chǎng)輻射方向圖向任意設計方向任意偏轉

　　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)全數字的方式對超材料進(jìn)行表征、分析和設計的全數字超材料，相比于傳統的基于等效媒質(zhì)理論的“模擬超材料”，編碼超材料對電磁波的調控功能取決于所賦予的編碼序列，極大地簡(jiǎn)化了設計流程和難度。得益于編碼超材料基于全數字分析這一屬性，他們創(chuàng )新性地將信號處理中的離散卷積定理應用于遠場(chǎng)方向圖的調控，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，即可將其遠場(chǎng)輻射方向圖朝著(zhù)某個(gè)設計方向任意偏轉，這種將遠場(chǎng)方向圖旋轉到更大角度的操作類(lèi)似于傅里葉變換中將基帶信號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)分析和估計編碼超材料所蘊含信息量的大小，揭示了編碼圖案的幾何熵與遠場(chǎng)方向圖的物理熵之間的正比關(guān)系，并指出這一新發(fā)現將有助于推進(jìn)編碼超材料在多波束無(wú)線(xiàn)通信、雷達探測以及壓縮感知成像等領(lǐng)域的應用。

　　9. 我國首顆碳衛星發(fā)射成功 高光譜微納衛星伴航

　　“碳衛星”發(fā)射升空瞬間

　　2016年12月22日3時(shí)22分，我國在酒泉衛星發(fā)射中心用長(cháng)征二號丁運載火箭成功將全球二氧化碳監測科學(xué)實(shí)驗衛星(簡(jiǎn)稱(chēng)“碳衛星”)發(fā)射升空。這是我國首顆、全球第三顆專(zhuān)門(mén)用于“看”全球大氣中二氧化碳含量的衛星。此外，本次任務(wù)還搭載發(fā)射中科院微小衛星創(chuàng )新研究院自主安排研制的1顆高分辨率微納衛星和2顆高光譜微納衛星。衛星發(fā)射后，將用于全球地表高光譜數據快速采集，服務(wù)國家農業(yè)估產(chǎn)、林業(yè)病蟲(chóng)害監測、環(huán)境保護、災害監測和資源開(kāi)發(fā)，是實(shí)現“光譜中國”目標的重要環(huán)節。

　　10. ALPHA研究小組首次觀(guān)察到了反物質(zhì)的光譜

　　歐洲核子研究中心

　　2016年12月，位于日內瓦的歐洲核子研究中心的ALPHA研究小組首次測量一個(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(zhù)達到了由慢反質(zhì)子實(shí)現的原子光譜和碰撞實(shí)驗建立的電子和反質(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)的基本對稱(chēng)性測試迅速成熟。