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英国科学家首次造出全新形式中密度无定形冰有助揭示水在低温下的行为

科技日报2023年2月6日报道，英国科学家在最新一期《科学》杂志上发表论文称，他们利用极冷钢珠，首次制造出一种名为“中密度无定形冰”的全新形式的冰，其没有整齐有序的晶体结构，密度与液态水的密度相同，有助科学家们更好地理解水在低温下的行为。

此前人们已知有高密度和低密度这两种类型的无定形冰，科学家认为，无法制造出中密度无定形冰（MDA）。但在最新研究中，伦敦大学学院的克里斯托夫·萨尔茨曼及其同事，将拥有六边形晶体结构的规则形状的冰置于一个装有冷却至-200℃轴承钢珠的玻璃杯中时，冰块与轴承钢珠碰撞产生的剪切力制造出了中密度无定形冰。

新制造出的中密度无定形冰是一些细白色的粉末，密度正好介于其他两种已知的无定形冰之间，几乎与液态水的密度完全相同。研究人员认为，这种无定形冰可能是所谓的玻璃相的水，后者是一种即使在极低温度下也表现为液体的物质。

液态水虽然看起来平凡无奇，但一旦冷却到极低温度，就会变得非常神秘。研究人员此前曾假设，超冷水可能同时以两种不同的液相存在，其中一种液相漂浮于另一种液相之上，但中密度无定形冰的存在使这一想法受到质疑。萨尔茨曼表示：“如果我们能够弄清楚中密度无定形冰是什么，那么我们将更好地理解液态水。”

萨尔茨曼指出，中密度无定形冰也可能是外太阳系内冰冻卫星的重要成分，这些奇怪的星球受到了由于其行星的引力而产生的强烈的剪切力，这可能为中密度无定形冰的形成创造了合适的条件。而且，当这些星球上的冰块升温时，释放出大量热量，可能会对这些星球的地质活动产生巨大的影响。

（来源：科技日报）

自响应可变机电性能材料诞生

中国科学技术大学工程科学学院机器人与智能装备研究所教授张世武研究团队与英国和澳洲合作者组成的联合研究组，开发了一种可以响应外界机械载荷和电信号变化从而自主调节机械刚度、电导率和灵敏度的新型复合材料。相关研究成果2023年1月25日发表于《科学进展》（Science Advances）。

传统材料的电导率和机械刚度等物理性能往往是固定不变的。但如今越来越多的应用场景，例如软体机器人、医疗手术设备和可重构电子器件，需要一种可根据环境变化主动调节物理性能的智能材料。然而，现有的此类材料往往需要外部控制装置来调节温度，不能自主响应压力或变形等环境变化。这些材料只能在绝缘体和导体间切换，而不能实现电阻的连续调节。

为填补这一研究空缺，联合研究组开发了一种由镍微米颗粒、低熔点菲尔德合金（FM）和聚合物基体组成的复合导电弹性体。归功于不规则镍颗粒和FM颗粒形成的多填料导电网络，这种材料的电导率可在包括压缩、拉伸、扭转、弯曲在内的机械载荷下指数增强超过一千万倍。当材料被加热至60℃以上时，其中的FM颗粒熔化。熔化的FM液滴不能像固体FM颗粒一样互相接触以形成导电路径，而是在载荷下随聚合物基质变形。这显著降低了材料的弹性模量，导电性和应变灵敏度。由于材料在变形时电阻显著降低，由3V电压供电的复合材料可以在特定压力下被加热以熔化FM颗粒，从而实现刚度和电阻的自触发协调增效调节。

通过将这种材料的可调节电阻/刚度特性相结合，研究组开发了一种可用于机械臂关节的可变刚度多轴柔性补偿器。这种补偿器可以通过变形为机械臂提供位置和角度误差补偿，从而避免在复杂操作环境中由于磕碰损坏电机和设备。此外当关节变形达到预设幅度时还可以触发补偿器减小刚度以进一步增加补偿量。与当前最先进的商业补偿单元相比（可弯曲1°），研究组开发的装置提供了大得多的弯曲补偿（可弯曲16.5°）。

此外，研究组还基于这种材料开发了一种可重复使用的限流低温保险丝。当达到预设的熔断电流后，保险丝的电阻可在0.1秒内增加1000倍以切断电路，并在10秒内恢复至可用状态。与商用可复用保险丝相比，它具有更紧凑的结构（＜1mm），更低的熔断温度（65℃），以及更快的熔断和恢复速度。

研究人员认为，这种可响应环境变化的智能材料实现了可调节电气和机械性能的协同利用，充分展现了它为下一代软体机器人和电子设备带来革命性改变的潜力。

（来源：中国科学报）

研究人员首次观测到粒子整体自旋排列现象

中国科学院院士、复旦大学马余刚教授团队和中国科学院近代物理研究所团队，与合作者首次在RHIC-STAR国际合作的重离子碰撞实验中观测到反应末态粒子的整体自旋排列现象，该成果或为研究夸克—胶子等离子体（QGP）中的强相互作用提供一个新方向。2023年1月18日相关论文发表于《自然》。

自旋是基本粒子所具有的内禀角动量，其本质上是一种相对论的量子效应。如果把自旋的粒子想象成一个旋转的陀螺，与陀螺的转轴方向类似，粒子的自旋也存在着方向。粒子自旋的方向并非简单三维的，而是量子化的，探测器无法直接探测到粒子的自旋方向信息。因此，科学家需要利用可衰变粒子的自旋与其衰变产物动量的关联，来提取粒子自旋方向信息。

此次研究中，研究团队测量了自旋为1的Φ介子和K^＊^0介子的整体自旋排列。研究人员跟踪这些粒子的衰变产物相对于反应平面法线方向的角分布，并把它转换为母粒子处于三种自旋状态的概率，以此实现母粒子的自旋排列密度矩阵的测量。

在没有整体自旋排列信号时，研究团队测量的粒子自旋处于三种状态中每一种的概率都是一致的，正如论文展示的K^＊^0介子的实验结果。但对于Φ介子，实验数据显示，其自旋处于某一种状态的概率高于其他两种状态，其自旋排列信号随着碰撞能量的降低而增大，自旋更倾向于一个特定的状态。这意味着该实验首次观测到粒子的自旋整体排列现象。

在高温高密核物质中引入强相互作用力的局部涨落理论能够较好地定性解释上述现象。结合STAR实验组最新的测量结果和该实验组2017年的数据，研究团队的工作确定了高温高密核物质“整体极化”新效应，实证了由中国理论核物理学家在2005年提出的超子和介子的整体自旋极化理论，提供了一个研究强相互作用的新方向。

（来源：科技日报）

我国科学家首次在实验中实现模式匹配量子密钥分发

量子密钥分发基于量子力学基本原理，可以实现理论上无条件安全的保密通信，因此一直是学术界的研究热点。记者2023年2月9日从中国科学技术大学获悉，该校潘建伟、陈腾云等与清华大学马雄峰合作，首次在实验中实现了模式匹配量子密钥分发（Mode-pairingQKD），相关研究成果于2023年1月17日发表在《物理评论快报》（Physical Review Letters）上。

模式匹配量子密钥分发协议是清华大学马雄峰研究组于2022年提出的一种新型测量设备无关量子密钥分发协议，相较于原始的测量设备无关协议，它可以很大程度提高成码率；相较于双场量子密钥分发协议和相位匹配协议，它无需复杂的激光器锁频锁相技术，节省成本且降低了实际应用难度，同时对环境噪声有更好的抗干扰能力。

潘建伟、陈腾云研究组基于清华大学马雄峰研究组提出的模式匹配量子密钥分发协议，利用极大似然估计的数据后处理方法精确地估算出两个独立激光器的频率差用于参数估计，并结合中科院上海微系统所尤立星团队研制的高效率单光子探测器，实现了实验室标准光纤百公里级、两百公里级、三百公里级以及超低损光纤四百公里级的安全成码，相较于之前的原始测量设备无关量子密码实验，成码率有明显提升，并且在三百公里和四百公里距离上较之前实验成码率提升了3个数量级。

研究成果表明，模式匹配量子密钥分发在不需激光器锁频锁相技术的条件下，可以实现远距离安全成码且在城域距离有较高成码率，极大地降低了协议实现难度，对未来量子通信网络构建具有重要意义。

（来源：新华社）

我国首台离子阱量子计算工程机发布

中国科学报2023年2月11日报道，国内量子信息科创公司“国开启科量子技术（北京）有限公司”（以下简称启科量子）对外发布了由其“HBar”项目团队研发的离子阱量子计算工程机——AbaQu 1.0，定名为“天算1号”。

该工程机是国内首台离子阱量子计算工程机。以广州工业技术研究院量子精密测量研究中心主任冯芒研究员为组长的评审专家组认为，这是国内离子阱量子计算机工程化的一次突破。工程机研制属于“从0到1”的突破，对于推动我国在量子计算领域的实用化和拓展量子计算的产业生态具有开创性意义。

中山大学物理与天文学院教授、启科量子首席科学家罗乐向《中国科学报》介绍，离子阱技术是构建量子计算机的重要途径，然而目前基于实验室系统的离子阱量子计算机系统集成度低、构造复杂、操作困难。以工程化方式推进离子阱量子计算机的研制，是目前该技术路线在国内外的焦点。

“启科量子此次通过模块集成，将离子阱量子计算机的离子阱、工作环境、光学、测控四个分系统进行模块化研制，初步实现了离子阱量子计算机的工程雏形。”罗乐对《中国科学报》介绍说，团队研发的超低温真空系统可提升离子囚禁时间，模块化光学系统有助于提升系统集成度，一体化测控系统便于实现便捷量子计算操作，在模块化设计、器件指标、稳定囚禁、操作一体化等方面达到了项目要求。

罗乐表示，离子阱量子计算工程机的实现，为在下一步通过运行通用算法、标定“量子体积”等性能参数创造了良好条件。目前，启科量子已经把实现标准量子算法的运行作为今年的工作的重中之重，希望通过算法演示和工程机工艺的迭代，向潜在用户推广。

据了解，实现量子计算机的方案有超导、量子点、离子阱、光量子等多种，与其他方案相比，离子阱方案具有无需极低温冷却、天然离子量子位具有全同性、保真度高、相干寿命长、纠错编码开销需求低、能够实现全联通量子系统，可以通过光子互联与量子网络兼容等优势。目前美国IonQ、Honeywell等企业，在离子阱的研发和工程化方面处于相对领先地位。

启科量子是国内首家以离子阱技术为核心，以离子阱量子计算工程化为目标的公司。启科量子董事长李杨对《中国科学报》表示，创业团队组建以来，先后在北京、广东等地分别建立工程研发和产业化基地，致力于突破技术和工程化瓶颈，推动分布式离子阱量子计算与量子互联网络的构建。

李杨表示，“天算1号”只是启科量子的一小步，接下来启科量子将加大研发力度，努力实现数百逻辑比特的分布式运算，完善量子计算产业生态。

公开信息显示，启科量子创始团队成员中，在科学、工程、生态系统、项目管理等方面均有相关领域专家，其中首席科学家罗乐是原子物理领域的知名学者，目前担任中山大学深圳研究院量子信息技术中心主任；首席产品官陈柳平在量子通信领域有20年的科研及工程经验，曾长期担任美国量子科技公司“MagiQ”总工程师；量子计算副总裁韩琢是资深量子应用专家，曾于2012年在加拿大联合创立量子计算软件公司1Qbit。此外还有多位产业专家参与公司运营。

（来源：中国科学报）

我国最大直径单管双层盾构隧道贯通

2023年2月1日，湖北武汉和平大道南延工程“和平号”盾构机在武昌区黄鹤楼南路破土而出，标志着国内最大直径单管双层盾构隧道顺利贯通，为年底通车打下坚实基础。

该工程全长3042m，其中1390m采用一台开挖直径16.03m的泥水平衡盾构机施工。盾构管片外径15.4m、内径14.2m，单管双层双向6车道，设计速度为50km/h。

中铁十四局项目负责人张建勇介绍，盾构机自2021年8月29日由中山路“武胜门”遗址区域始发掘进，至黄鹤楼南路接收，隧道最大埋深55m。

隧道下穿武昌古城、京广铁路等地，线路上有500多座老旧建筑、多处名人故居。隧道掘进过程中，面临多处重大风险源，是国内施工技术含量和难度较高的隧道之一。

为此，中铁十四局大盾构成立盾构技术专家组，对盾构机选型设计及施工难题进行指导把关；针对岩溶探测及处理、长距离硬岩掘进，盾构机配备了钻注一体式超前地质钻机和超前物探系统，该系统在国内是首次在16m级盾构机上应用。掘进过程中，应用自动化监测施工技术，对沿线敏感建构筑物布设观测点，实时监测沉降数据，同步调整掘进参数，实现了安全平稳穿越。在实践中探索总结创新技术成果并取得多项发明专利，其中《超大直径泥水盾构穿越复杂地质环境施工沉降控制技术》《超大直径盾构近距离侧穿地铁隧道变形规律研究》等多个成果，陆续在国家级专业期刊发表。

（来源：科技日报）

新型模拟量子计算机有助揭示宇宙最深层秘密

美英科学家合作发明了一种可扩展的新型模拟量子计算机，有望用于解决现有最强大的数字超级计算机也无法解决的物理学前沿难题，例如帮助科学家更好地理解超导性，最终找到在室温下具有超导性的材料。相关研究2023年1月30日刊发于《自然·物理学》杂志。

在最新研究中，斯坦福大学、美国能源部SLAC国家加速器实验室以及爱尔兰都柏林大学的研究人员设计出金属—半导体混合组件，并将其整合到纳米电子电路内，得到了新的量子设备。

研究人员解释说，模拟设备的基本原则是创建一种与想要解决的问题类似的硬件，而非为可编程数字计算机编写代码。例如，可通过构建一个太阳系的力学模型来预测行星的运动以及日食发生的时间。20世纪晚期，模拟设备被用于解决当时最先进的数字计算机无法解决的数学计算。

但要解决量子物理问题，模拟设备需要包含量子组件。新研制的量子模拟器体系结构包括拥有纳米元件的电子电路，这些元件受量子力学定律的控制。重要的是，科学家可制造许多这样的组件，每个组件的行为基本上与其他组件相同，这就使最新设计能从单个单元扩展到大型网络，朝开发出新一代可扩展固态模拟量子计算机迈出了关键一步。

研究人员指出，将量子模拟器从两个纳米级组件扩展到许多纳米级组件，可为当前计算机无法处理的更复杂的系统建模，最终帮助揭示宇宙中一些最令人费解的谜团。