2016年全球光學界十大科研突破

OFweek激光網訊：回顧2016年,光學領域發生的很多事件都值得銘記。中國激光特從全球光學界精選出10項科研突破,帶領大家重溫2016年那些與「光」有關的日子。

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台(LIGO)科學合作組織向全世界宣布:人類首次直接探測到了引力波。這個被命名為GW150914的引力波事件,發生於距離地球十幾億光年之外的遙遠星系中。該信號於2015年9月14日由LIGO位於美國Hanford與Livingston的兩台探測器同時觀測到。該發現結束了長達數十年時空漣漪的尋找,標誌著引力波天文學時代的開始。同時它為愛因斯坦的廣義相對論最後一個未經證實的預言提供了重要驗證。LIGO科學合作組織於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,它發生在2015年12月26日,科學家們第二次觀測到引力波。基於這些革命性的成就,激光干涉引力波天文台(LIGO)科學家團隊獲得2016物理世界年度突破大獎。

2. 我國科學家成功利用超強超短激光獲得「反物質」

超強超短激光產生正電子示意圖

2016年3月,中科院上海光機所強場激光物理國家重點實驗室利用超強超短激光,成功產生反物質――超快正電子源,這是我國首次報道利用激光產生反物質。獲得反物質超快正電子源將對激光碟機動正負電子對撞機等具有重要意義。未來,在高能物理、材料無損探測、癌症診斷技術研發領域有應用前景,由於其脈寬只有飛秒量級,可使探測的時間分辨大大提高,有望獲得更高解析度的正電子成像,進而研究物質性質的超快演化。

3. 軌道角動量微激光器

軌道角動量微型激光器示意圖

2016年7月,布法羅大學的研究人員在《自然》雜誌發表論文稱,他們揭示了一種「螺旋渦流形激光」,用軌道角動量(OAM)這一光操作技術來推動激光技術的發展。他們用軌道角動量(OAM)以螺旋狀圖案分布激光,並證明了半導體環形諧振腔激光器可以產生單模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。該全新技術使用了通過螺旋路徑運行的漩渦光束,從而將數據編碼為漩渦式扭曲。這種基於光的通信工具,能在螺旋路徑中實現大量數據的快速傳輸,進而解決隨著信息共享需求不斷增長而帶來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,人類歷史上第一顆用於量子通信研究的量子科學實驗衛星「墨子號」在酒泉發射升空,為建立覆蓋全球、天地一體化的量子通信網路奠定了技術基礎,也拉開了量子通信時代的帷幕。半個世紀前,物理學家基於量子理論,研製出了晶體管和激光器,催生了第一次信息革命,讓計算機、智能手機和互聯網重塑了人類世界。今天,量子信息科學技術的高速發展,則催生著第二次信息革命的出現。以「量子密鑰分發」和「量子態傳輸」為代表的量子通信技術,以超高計算能力為代表的量子計算機,必將在未來重塑人類世界。

5. 中國空間冷原子鐘定時世界

由上海光機所研製的空間冷原子鐘

2016年9月15日,由中科院上海光機所研製的空間冷原子鐘搭乘「天宮二號」空間實驗室來到太空。這台「定時神針」能夠實現約3000萬年誤差1秒的超高精度,是國際首台在軌運行並開展科學實驗的空間冷原子鐘,也是目前在空間運行的最高精度空間冷原子鐘。空間冷原子鐘的成功將為空間高精度時頻系統、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基礎,並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、地球重力場測量、基本物理常數測量等一系列重大技術和科學發展方面做出重要貢獻。

6. 中科院成功研製光譜「解碼晶元」母機

科研人員在為光柵檢測做準備工作

2016年11月11日,中國科學院長春光機所成功研製出大型高精度衍射光柵刻劃系統,並刻划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先水平。該成果結束了我國高精度大尺寸光柵製造受制於人的局面,填補了國內空白。研製成功的光柵刻劃機刻槽精度可以在約20公里行程範圍內保證刻槽間距誤差小於一根頭髮絲的千分之一。

7. 量子通信再獲突破 「十光子」糾纏刷新紀錄

十光子糾纏偏振態實驗裝置圖

2016年11月,中國科學技術大學潘建偉及其同事陸朝陽、陳宇翱等組成的研究小組在國際上首次成功實現十光子糾纏,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製備的世界紀錄。潘建偉小組利用兩種不同的技術途徑製備了收集效率、保真度和光子全同性這三個綜合性能國際最優的脈衝糾纏光子源,並在此基礎上,實現了十光子純糾纏和可提純糾纏態的實驗製備和嚴格驗證。這一突破表明我國繼續引領國際多光子糾纏和干涉度量研究,研究成果將可應用於遠程量子通信和實用化量子計算等大尺度量子信息技術。

8. 信息科學角度的編碼超材料

編碼超材料能夠將遠場輻射方向圖向任意設計方向任意偏轉

東南大學崔鐵軍教授課題組提出了一種新型人工電磁編碼超材料,這是一種通過全數字的方式對超材料進行表徵、分析和設計的全數字超材料,相比於傳統的基於等效媒質理論的「模擬超材料」,編碼超材料對電磁波的調控功能取決於所賦予的編碼序列,極大地簡化了設計流程和難度。得益於編碼超材料基於全數字分析這一屬性,他們創新性地將信號處理中的離散卷積定理應用於遠場方向圖的調控,即通過在已有的編碼圖案上疊加另一個梯度編碼序列,即可將其遠場輻射方向圖朝著某個設計方向任意偏轉,這種將遠場方向圖旋轉到更大角度的操作類似於傅里葉變換中將基帶信號搬移到高頻載波的過程。同時,他們首次提出利用信息熵來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方向圖的物理熵之間的正比關係,並指出這一新發現將有助於推進編碼超材料在多波束無線通信、雷達探測以及壓縮感知成像等領域的應用。

9. 我國首顆碳衛星發射成功 高光譜微納衛星伴航

「碳衛星」發射升空瞬間

2016年12月22日3時22分,我國在酒泉衛星發射中心用長征二號丁運載火箭成功將全球二氧化碳監測科學實驗衛星(簡稱「碳衛星」)發射升空。這是我國首顆、全球第三顆專門用於「看」全球大氣中二氧化碳含量的衛星。此外,本次任務還搭載發射中科院微小衛星創新研究院自主安排研製的1顆高解析度微納衛星和2顆高光譜微納衛星。衛星發射後,將用於全球地表高光譜數據快速採集,服務國家農業估產、林業病蟲害監測、環境保護、災害監測和資源開發,是實現「光譜中國」目標的重要環節。

10. ALPHA研究小組首次觀察到了反物質的光譜

歐洲核子研究中心

2016年12月,位於日內瓦的歐洲核子研究中心的ALPHA研究小組首次測量一個反物質原子的光譜,為高精度的反物質的研究開闢了一個嶄新的時代。它的結果是歐洲核子研究中心反物質委員會超過20年的工作成果。隨著達到了由慢反質子實現的原子光譜和碰撞實驗建立的電子和反質子質量比以及BASE合作組織確定的荷質比的極限,這表明歐洲核子研究中心的反物質的基本對稱性測試迅速成熟。