智能计算成像研究进展

智能计算成像研究进展

中国科学院上海光学精密机械研究所信息光学与光电技术实验室与德国斯图加特大学应用光学研究所、美国麻省理工学院合作，提出并实验验证了一种基于物理模型和深度神经网络的新型计算成像方法，无需大量带标签的数据来完成神经网络训练，从而促进人工智能在计算成像中的应用。研究论文发表于Light： Science & Applications。研究人员利用物理模型替代训练数据来驱动网络参数的优化。以相位成像来验证了该方法的有效性，通过不断迭代使神经网络输出结果经衍射传播和测量过程（物理模型）后计算得到的衍射强度图逐渐逼近实际测量的衍射强度图，随着迭代的进行，神经网络输出结果也逐渐逼近实际待求相位物体。

高阶拓扑绝缘体理论研究进展

中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家研究中心-国际量子功能材料设计中心与物理系乔振华教授课题组与美国德克萨斯大学奥斯汀分校牛谦教授合作，在理论预言低维体系高阶拓扑绝缘体方面取得新进展。相关成果发表于Physical Review Letters。论文提出一种新的方案来实现从一阶到二阶拓扑绝缘体的操控，即通过在二维一阶拓扑绝缘体上诱导出面内磁矩来实现二维二阶拓扑绝缘体。一阶拓扑绝缘体受时间反演对称性保护；然而，面内磁矩的出现破坏了该对称性，使得拓扑绝缘体变的拓扑平庸。同时，导电的边界态也由于对称性被破坏而变得绝缘不再导电，并且在两个绝缘的边界交界处，出现了零能电子态。

晶体手性判定新方法

上海科技大学物质学院马延航课题组与合作人员提出了一种使用电子显微镜确认晶体手性的新方法。研究论文发表于Nature Communications。手性在自然界中非常常见。两个化学组分完全相同的手性异构体，其性质却可能完全不同。一个典例就是手性沙利度胺（Thalidomide），一种对映体是有效的镇静剂，而另一种则可能导致胎儿畸形。该方法基于球差校正扫描透射电子显微镜原子分辨成像，通过拍摄单颗手性晶体沿不同带轴的高分辨图像，结合结构模型和图像模拟，成功实现了在原子尺度上直接确认晶体的左右手性。该方法对于手性材料的手性判定有着重要意义。

太赫兹实时双光梳光谱检测研究进展

中国科学院上海微系统与信息技术研究所曹俊诚、黎华研究员领衔的太赫兹（THz）光子学团队与华东师范大学曾和平教授合作，在太赫兹双光梳光谱检测领域取得进展。研究论文发表于ACS Photonics。研究团队利用THz QCL光频梳本身作为高速探测器，率先实现了紧凑型实时THz双光梳光谱检测系统。由于THz QCL是基于子带间电子跃迁的半导体器件，其载流子弛豫时间在皮秒兩级，所以THz QCL在作为辐射源的同时也是一个天然的THz高速探测器。基于此原理，研究团队克服传统双光梳系统需要外置高速探测器的限制，成功实现了基于自探测的THz实时双光梳系统。

在能量景观上构建“路径图”的计算方法

北京大学北京国际数学研究中心张磊副教授与数学科学学院张平文院士、博士生殷鉴远等人合作，提出了在能量景观上构建“路径图”的计算方法，可以寻找系统的多个极小和过渡态，并揭示不同鞍点解之间的连接关系。研究论文发表于Physical Review Letters。寻找能量景观的全局极小和如何找到不同极小之间的关系始终是数学和物理领域中长期存在的两个关键问题。论文提出的算法克服了传统算法中选取合适初值的困难，可以更加有效地计算能量景观的多个极小。同时，能量景观上的“路径图”不但展示了不同解之间的连接关系，而且通过计算得到的动力学路径揭示了隐藏的物理过程。

受限在方形区域中向列型液晶的路径图（图片来源于北京大学数学科学学院网站）

利用PVDF线圈实现充液管道泄漏定位

中国科学院声学所噪声与振动重点实验室高艳研究员等提出应用PVDF线圈进行管道泄漏定位的方案，它具有易安装、低成本、灵敏度可调的优势，为塑料水管泄漏检测与定位提供了新的传感器设计方案。研究论文发表于Sensors。塑料管被广泛应用于城市地下管网。由于水资源短缺和管道老化加剧的现状，管道泄漏检测维修技术成为保障管网安全运行的关键，这对管网实时监测设备中泄漏噪声传感器的灵敏度与性价比提出了更高的要求。该线圈传感器测试信号在低频域（1kHz内）具有良好的相关性和相位线性关系，并与水听器测试结果基本一致。分析线圈传感器与水听器结果的相位谱得到的漏点定位误差在2%以内。

关于具有社团划分功能的网络模型研究

南京大学新闻传播学院计算传播学实验中心助理研究员尚可可等与合作者在关于具有社团划分功能的网络模型研究方面取得进展。研究论文发表于应用数学与统计物理交叉性著名期刊Chaos。文章提出的进化规则在创建模仿病毒遗传结构的网络方面取得突破，特别是模仿COVID-19病毒基因演化网络的已知公共数据。该模型的原理源自实际生活，即新团体的崛起会打破已有的资源分配格局，从而产生“新贵”，论文的初衷是对传播结构网络、社交网和经济网络的社团演化提供一个适配模型。然而，研究团队意外发现该模型还能够较好适配新冠状病毒基因的演化网络。

精确估计光度函数方法

中国科学院云南天文台博士袁尊理、研究员王建成与英国牛津大学教授Matt Jarvis合作，基于现代统计学中的核密度估计原理，提出了一种精确估计光度函数的普适方法，它对于统计研究星系、活动星系核、伽马暴等河外天体的演化性质有重要价值。研究论文发表于The Astrophysical Journal Supplement Series。光度函数是一个非常基本的统计量，它反映宇宙中某类天体的数密度随红移和光度（或星等）的变化情况。研究团队利用蒙特卡洛模拟，发现新方法的估计精度要比经典的binning方法高出近一个数量级，稳定性好，同时，新方法兼有参数方法和非参数方法的优点。