科学家取得可扩展量子网络突破

近日，中国科学技术大学潘建伟等科研人员，在可扩展量子网络研究方面取得突破。在国际上首次构建出可扩展量子中继的基本模块，使得远距离量子网络成为现实可能；实现了单原子节点间的远距离高保真纠缠，同时在此基础上首次将器件无关量子密钥分发（DI-QKD）的传输距离突破百公里，推进了该技术的实用化进程。 量子信息科学的终极发展目标是构建高效、安全的量子网络，即利用量子精密测量实现对信息的高精度感知、利用量子通信实现信息的安全和高效传输、利用量子计算实现信息的指数级加速处理，从而实现对物质世界认知能力的革命性飞跃。 构建量子网络的基本要素是远距离确定性量子纠缠分发。基于量子纠缠，不仅可以通过量子密钥分发实现经典信息的安全传输，还可以通过量子隐形传态为量子计算机与用户之间量子信息的交互提供唯一有效途径。 光纤的固有损耗导致量子纠缠的传输效率随距离成指数衰减，成为构建可扩展量子网络面临的最大挑战。例如，经过1000公里标准光纤直接传输后，光信号将衰减至原始强度的10至20量级（万亿亿分之一），这意味着即使每秒发射100亿对纠缠光子，平均每300年才能接收到一对纠缠。 量子中继方案是解决光纤传输损耗的有效方案。如在1000公里光纤线路中，可以每隔100公里设置一个中继站点，在相邻站点之间产生纠缠，再通过纠缠交换将各段纠缠连接起来以实现遥远地点之间的有效纠缠分发。 利用该方案，用同样发射速率的光源，每秒可接收到一亿对纠缠光子，传输效率提升100亿亿倍。因此，一直以来量子中继是光纤量子网络最重要的研究方向。 早在1998年，潘建伟及其同事就在国际上首次演示了量子纠缠的连接。但是，近30年来始终未能解决的一项重大技术难题：纠缠的寿命远远短于产生纠缠所需的时间，以至于在纠缠的存活时间内，与之相邻的纠缠难以确定性产生，因而无法实现纠缠的有效连接，严重制约了量子中继的可扩展性。 针对这一核心难题，中国科大研究团队通过发展长寿命囚禁离子量子存储器、高效率离子—光子通信接口及高保真度单光子纠缠协议，在国际上首次实现长寿命量子纠缠，纠缠寿命（550毫秒）显著超过纠缠建立所需的时间（450毫秒），成功构建了可扩展量子中继的基本模块，使得远距离量子网络成为现实可能。 远距离纠缠分发的一个直接应用是实现现实条件下最高安全等级的量子保密通信。以往的量子保密通信方案需要对器件参数进行精确标定以保障现实安全性，这通常会在实际应用中带来不便。 而基于纠缠的器件无关量子密钥分发（DI-QKD）方案则突破了这一限制，即使量子器件完全不可信，只要通信双方能够建立起足够高品质的纠缠并验证无漏洞的贝尔不等式违背，就能严格保证密钥分发的安全而无需对器件参数进行精确标定。 但DI-QKD的实验实现面临极为严苛的技术门槛。远程节点间的量子纠缠需要同时满足以下条件：（1）具备极高的探测效率，以有效关闭探测器效率漏洞；（2）维持极高的纠缠保真度，以确保对贝尔不等式足够显著的违背。受限于长距离光纤损耗及系统噪声等不利因素，国际上此前相关实验演示大多局限于短距离范围（通常为数米至数百米），与实际应用需求存在显著差距。 基于可扩展量子中继技术，中国科大研究团队成功实现了两个铷原子间的远距离高保真纠缠：在最长达100公里的光纤链路上，原子节点间远程纠缠保真度仍保持在90%以上，显著优于此前国际同类实验结果。 在此基础上，团队首次在城域尺度光纤链路上实现了设备无关量子密钥分发：在11公里光纤链路中完成了基于有限数据量的安全性分析与严格证明，传输距离较此前最好结果提升约3000倍；在100公里光纤链路中演示了密钥生成的可行性，传输距离较国际此前最好实验水平提升两个数量级以上。 上述突破标志着基于量子纠缠的光纤量子网络，正在从理论构想走向现实可能。 上述成果分别发表在《自然》和《科学》上。 论文链接：1、2 中国科大实现可扩展量子中继核心组件与百公里器件无关量子密钥分发 量子网络示意图

我国超百G星地激光通信业务化应用实验取得成功

星地激光通信已成为实现海量数据星地超高速传输的最优解决方案，但受卫星平台微振动、大气湍流扰动等多重复杂因素影响，该技术的应用效能面临高频实时校正精度不足、超高速信号处理能力有限、非稳态大气信道高效传输难度大等关键挑战。 近日，中国科学院空天信息创新研究院成功开展超百G星地激光通信业务化应用实验。 本次实验利用空天院塔县激光地面站自主研制500mm口径星地激光通信系统与中科卫星AIRSAT-02卫星，在卫星硬件没有任何变化的情况下，通过卫星在轨软件重构，充分挖掘利用激光通信载荷的硬件潜能，将卫星激光通信载荷的能力从60Gbps提升至120Gbps。实验期间，星地之间成功实现了秒级捕获建链，建链成功率超过93%，最大连续通信时长108秒，获取数据量达到12.656Tb，并成功处理出高质量遥感影像。实验结果表明，通信链路稳定、下传数据质量优良。 参与本次实验的空天院塔县激光地面站是我国首个业务化运行的星地激光通信地面站，自2024年9月建成以来已承担多项业务化运行任务，通信速率与传输效率持续提升。实验卫星AIRSAT-02于2024年9月成功发射，2025年1月与塔县激光地面站成功完成了60Gbps星地激光通信实验。 实验获取的首批SAR遥感影像（AIRSAT-02卫星下传） 塔县激光地面站

中国科学家发现花垣生物群，揭开5.13亿年前生物大灭绝面纱

地球上的生命历经30多亿年演化，在5.39亿年前迎来“寒武纪生命大爆发”，海洋动物快速涌现，全球海洋生态系统完成由微生物到动物主导的转变，这一爆发在约5.18亿年前达到顶峰。但5.13亿年前的辛斯克事件，即显生宙第一次生物大灭绝，打断了“寒武纪生命大爆发”进程。由于该事件的相关证据仅局限于浅海常规壳相化石，缺失能够相对完整记录海洋动物群落面貌的软躯体特异埋藏化石群，其对全球海洋生态系统的真实影响始终成谜。 近日，中国科学院南京地质古生物研究所等团队，发现了距今约5.12亿年前、紧临辛斯克事件之后的寒武纪软躯体化石群——花垣生物群。这一发现填补了寒武纪第四期顶级软躯体化石群缺失的空白，为科学认识显生宙第一次大灭绝事件的规模和影响提供了关键证据。 花垣生物群发现于湖南省湘西土家族苗族自治州花垣县磨子村。2020年，当地组织修建机耕道，露出了以泥页岩为特征的寒武系杷榔组新鲜地层剖面，为发现花垣生物群化石埋下了伏笔。湖南省博物馆将在该地点采集的首批化石标本，交由中国科学院南京地质古生物研究所等团队研究时，科研人员意识到这些化石标本保存好、发掘潜力大，尤其是其时代属于辛斯克灭绝事件之后的寒武纪第四期，科学价值重大，随即开展了持续五年的野外发掘和化石采集工作，经过室内研究和系统的数据统计分析，最终解锁了这一珍贵化石群。 花垣生物群化石数量丰富、多样性高、保存精美。研究团队目前累计采集该生物群化石标本超5万块，识别出153个动物物种，其中59%为新物种，其单一采坑的物种多样性超过澄江动物群、布尔吉斯页岩生物群等经典采坑。同时，花垣生物群展现出具有复杂生态系统的深水动物群落。研究团队证实，该生物群是寒武纪时期生活于外大陆架深水环境的生物群，生物生活方式多样。该生物群中还发现了多种樽海鞘状浮游被囊动物，这表明寒武纪早期海洋碳循环中，已存在类似现代海洋的生物碳泵。 花垣生物群反映出显生宙第一次大灭绝事件，对浅水、深水环境的差异性影响。研究表明，辛斯克灭绝事件对浅水软躯体生物群影响显著，对深水生物群则影响有限，这与辛斯克灭绝事件中浅海大范围缺氧的环境背景相呼应。同时，该生物群表明显生宙第一次大灭绝事件之后，海洋动物曾发生长距离跨洋扩散，即该生物群中发现的昆明关山虾，证实奇虾类单一物种的地理分布跨度可达750公里，也由此揭示这一时期寒武纪海洋动物已存在长距离跨洋扩散的机制。 花垣生物群进一步揭示，显生宙第一次大灭绝事件前后，全球海洋动物群落面貌发生了重大转折。研究团队发现，辛斯克灭绝事件前后，全球生物群组成存在明显差异，这表明寒武纪演化生物群在该事件中发生重大转变，也由此暗示外大陆架深水环境在该事件中，扮演了生物避难所、演化创新起源地的重要角色。 这项研究为解析动物门类起源与早期演化增添了新的化石材料，也为探索显生宙第一次大灭绝事件前后，寒武纪演化生物群的灾难与复苏、演化与创新，以及全球扩散等问题提供了关键科学依据。 相关研究成果发表在《自然》（Nature）上。研究工作得到国家自然科学基金委员会、科学技术部、中国科学院、江苏省、贵州省等的支持。 论文链接 花垣生物群代表性化石   花垣生物群代表性化石 花垣生物群生态复原图

科学家利用引力波观测验证黑洞面积定律

黑洞面积定律指出，在经典物理过程中，黑洞事件视界的总面积始终不会减少，这一定律构成了黑洞热力学的基石。然而，在引力波成功探测之前，该理论预言一直未被直接且定量的天文观测验证。引力波天文学的诞生，特别是频繁探测到的双黑洞并合事件，为在强场、动态时空中检验这一定律提供了“宇宙实验室”。 在引力波成功探测十周年之际，中国科学院紫金山天文台牵头的科研团队，利用第四期引力波源目录中一例信噪比极高的双黑洞并合事件GW230814，对黑洞面积定律开展了新检验。 双黑洞并合过程一般可分为旋近、并合与铃宕三个阶段。并合阶段处于高度非线性、强场动力学的极端物理环境中，是最有可能出现新物理或偏离广义相对论的阶段；而旋近与铃宕阶段的引力波辐射，被认为可由广义相对论可靠地描述。团队选择GW230814事件作为关键研究对象，源于其优异的观测特性：极高的信噪比确保了信号波形的清晰度，而其合适的黑洞质量与自旋参数，保证了并合前后的信号在探测器频段内均具有足够的信噪比，从而为分别在旋近阶段和铃宕阶段独立且精确地推断黑洞参数提供了理想条件。 研究团队对GW230814事件的旋近阶段与铃宕阶段分别进行了参数推断，约束并合前后黑洞质量与自旋，进而计算事件视界面积变化。在分析过程中，团队考虑了多项不确定性因素，包括天空定位误差、波形模板的系统误差、铃宕阶段建模的选择，以及旋近终止与铃宕起始时间等。结果表明，并合后黑洞的事件视界面积，以极高的后验概率大于并合前两个黑洞的事件视界面积之和，统计置信度可达4.1σ。该结果有力地支持了黑洞面积定律，进一步验证了广义相对论在黑洞并合这一强场、动力学极端过程中的有效性与自洽性，并间接支持了“宇宙监督假设”等黑洞基础理论。 该研究为未来探索黑洞量子效应、黑洞热力学乃至量子引力理论奠定了坚实的观测基础。随着第三代引力波探测器的建成，通过对大量事件的族群分析，未来将有望以更高精度探寻可能偏离经典理论的量子引力或新物理效应。 相关研究成果发表在《科学通报》（Science Bulletin）上。研究工作得到国家自然科学基金委员会等的支持。 论文链接 并合前后黑洞事件视界面积变化的测量值与预期值之比的概率密度分布

我国首个星际航行学院成立！点燃太空探索“人才引擎”

中国科学院大学星际航行学院1月27日正式揭牌成立。记者获悉，这所特色学院将聚焦星际推进、深空通信导航、空间科学等前沿领域，培育兼具扎实功底、战略视野与家国担当的紧缺复合型人才。 从“东方红一号”划破天际到“祝融号”漫步火星，中国人的航天梦从未止步。当前，我国航天事业正从“近地轨道”迈向“深空探测”，从月球科研站规划到系外行星探测，一系列国家重大战略任务呼唤着高素质创新人才。 中国科学院大学立足中国科学院“科教融合3.0”战略，设立星际航行人才培养专项并组建学院，旨在响应国家战略，推进教育、科技、人才一体化发展，破解人才瓶颈。 “今天，我们在此共商星际航行领军人才培育大计，既是对前辈家国情怀的赓续，更是立足新时代对人才培养事业的全方位升级。”中国科学院国家空间科学中心主任王赤院士说。 60多年前，中国科学院在钱学森、赵九章等科学家的倡议下召开了首次“星际航行座谈会”，继而成立“星际航行委员会”，为我国探索太空奠定了基础。 未来10至20年是我国星际航行领域跨越式发展的窗口期。原始创新基础研究和技术突破将重塑深空探索格局、决定国家核心竞争力，也有望让航天梦在更深远星空绽放。 中国科学院大学星际航行学院院长朱俊强院士期许，经过接续奋斗，学院未来成为三大高地：一是中国科学院航空航天基础研究高地，为国家重大任务提供原创支撑；二是高层次创新人才培育高地，造就敢闯未知、能担重任的优秀人才；三是国际学术交流开放高地，以扎实成果发出中国声音、贡献中国智慧。

我国科学家发现一维带电畴壁

1月21日，在中国科学院物理研究所实验室，钟海博士后在做铁电薄膜沉积实验        新华社记者 金立旺 摄 近日，中国科学院物理研究所团队成功在萤石结构铁电材料中发现一维带电畴壁，厚度和宽度均约为人类头发直径的数十万分之一，为开发具有极限密度的器件提供科学基础。相关论文成果已于北京时间1月23日凌晨在国际学术期刊《科学》发表。 1月21日，在中国科学院物理研究所实验室，钟海博士后在操作探针台测试铁电性能 这是1月21日在中国科学院物理研究所实验室拍摄的探针台与等待测试的铁电电容器样品 1月21日，在中国科学院物理研究所实验室，金奎娟研究员（左）和葛琛研究员在讨论实验实施方案 1月21日在中国科学院物理研究所实验室拍摄的用于铁电测试的铁电电容器样品 这是1月21日在中国科学院物理研究所实验室拍摄的正在进行实验的铁电薄膜样品 1月21日，在中国科学院物理研究所实验室，张庆华副研究员、金奎娟研究员、钟海博士后、葛琛研究员（从左至右）合影

科学家发现“溶解压卡效应” 或为制冷行业带来绿色革命

制冷技术是现代社会的重要基础性技术，目前广泛使用的气体压缩制冷技术虽为经济社会发展做出了巨大的贡献，却也存在能耗高和碳排放量大等问题。为满足节能减排需求，研究人员近年来着力开发固态相变制冷材料，这类材料通过压力或磁场变化实现吸放热，避免了气体工质的排放问题。然而，固态材料固有的导热慢、界面热阻大等缺陷，严重制约了其在实际大功率场景中的应用。 近日，中国科学院金属研究所等在制冷技术领域取得突破——首次发现“溶解压卡效应”，有望同时攻克制冷领域的低碳排放、大制冷量和高换热效率三大核心挑战。 金属所研究团队在实验中发现，硫氰酸铵（NH₄SCN）溶液在压力变化下表现出惊人的热效应：加压时盐析出并放热，卸压后盐迅速溶解并强力吸热，室温下溶液温度可在20秒内骤降近30°C，在高温环境下降温幅度更高，远超已知固态相变材料性能。这一现象被命名为“溶解压卡效应”。 该效应将制冷工质与换热介质合二为一：利用溶液本身流动性实现高效传热，同时通过溶解/析出过程提供巨大冷量，从而一举打破长期以来困扰制冷领域的“低碳—大冷量—高换热”不可能三角关系。 基于此效应，团队设计出一套高效的四步循环系统：加压升温→向环境散热→卸压降温→输送冷量，单次循环即可实现每克溶液吸收67焦耳热量，理论效率高达77%，展现出优异的工程应用潜力。 这项研究不仅提供了一种全新的制冷原理，更为发展高效、环保、可扩展的下一代制冷技术奠定了关键科学基础。 压力调控溶液析出/溶解产生冷量，冷液被泵送至负载实现制冷

智能“活胶水”助力炎症性肠病精准治疗

对炎症性肠病（IBD）患者而言，反复腹痛、腹泻和便血，往往意味着肠黏膜在破损与修复之间长期拉锯。然而，肠道环境复杂，传统止血剂或黏膜修复药物多为“静态材料”，很难在体内稳定黏附；病灶定位往往依赖影像学或侵入性操作配合。 近日，中国科学院深圳先进技术研究院等提出一种面向IBD的“智能活胶水”（TL-glue）。团队选用人体肠道常驻微生物大肠杆菌作为工程化载体。工程菌检测到血液相关信号后，便启动预先设计的反应：一方面在出血位置原位形成黏附基质，另一方面同步释放修复因子，在局部持续发挥作用。 实验结果显示，“活胶水”可在出血位置原位形成致密保护层，显著提升抗压与防漏功能，使其在湿润、蠕动的肠道环境中仍能稳定停留。同时，团队在黏附体系中进一步引入黏膜修复肽，使“活胶水”在“封堵”的同时持续释放修复信号，促进受损黏膜恢复，针对IBD黏膜屏障受损这一关键病理环节实现协同干预。 在葡聚糖硫酸钠诱导的急性结肠炎小鼠模型中，TL-glue显著改善了动物整体病情。基于光声/超声成像结果显示，TL-glue处理后肠道内与出血相关的信号明显降低。组织与免疫层面的观察进一步表明，“活胶水”不仅在出血处形成物理保护层，还能促进肠黏膜修复、增强屏障功能并抑制局部炎症反应，从而在病灶处实现“止血、修复并抗炎”的协同作用。团队还探索了口服递送方案，通过肠溶包裹实现肠道释放，使其在炎症肠道中被特异激活、在健康宿主中更快清除，为安全性与临床可达性提供线索；同步评估免疫相容性并引入多重生物安全策略。 相关研究成果发表在《自然-生物技术》（Nature Biotechnology）上。 论文链接 智能活胶水用于精准靶向与治疗炎症性肠病

我国成功实现太空金属3D打印

近日，由中国科学院力学研究所自主研制的微重力金属增材制造返回式科学实验载荷，成功在太空中完成金属增材制造实验。 本次任务是我国首次基于火箭平台实施的太空金属增材制造返回式科学实验，相关载荷搭载于中科宇航力鸿一号遥一飞行器。 任务过程中，团队突破了微重力条件下金属增材制造的物料稳定输运与成形、全流程闭环调控、载荷—火箭高可靠协同等一系列关键技术。 实验结束后，载荷舱经伞降系统平稳着陆回收。科研人员成功获取了太空微重力环境中金属增材制造的过程数据（包括熔池动态特征、物料输运、凝固行为等），以及太空增材制造金属件的成形精度与力学性能等参数，为我国太空金属增材制造技术的快速迭代积累了宝贵实验资料。 实验成功在太空微重力环境下利用增材制造技术（“3D打印”）制备出金属零部件，标志着我国太空金属增材制造正式从“地面研究”阶段迈入“太空工程验证”新阶段，整体技术达到世界一流水平。这一突破将有力推动我国太空制造技术的发展，为未来太空基础设施建设提供关键支撑。 执行本次任务的力鸿一号飞行器在首飞中攀升至约120千米高度，穿越卡门线进入太空。该平台具备发射成本低、灵活性高、支持载荷回收等优势。

科学家构建超离子电导柔性固态电解质

固态电解质作为构建高安全、高能量密度电池体系的重要材料，展现出广阔的应用前景。其中，复合固态电解质已展现出独特的优势，它有望结合无机电解质的高离子电导率与聚合物电解质优异的界面相容性的优点，因而具有突出的发展潜力。 近日，中国科学院深圳先进技术研究院等提出了一种新型复合固态电解质结构设计，成功实现了离子传导与机械柔性的解耦。该电解质复合结构由垂直排列的LixMyPS3（LiMPS，M为Cd或Mn）纳米片层与聚氧化乙烯（PEO）层交替堆叠而成。 研究团队从自然界生物矿物的精巧结构中汲取灵感，设计并构筑了一种PA-LiMPS/PEO复合电解质。该设计克服了离子在LiMPS纳米片沿着平面传输和跨平面传输的各向异性，在复合电解质中构建了连续的垂直离子传输通道，并以聚合物作为可形变的支撑框架维持该通道的完整性，从而实现离子传导能力与机械柔性之间的解耦。 团队成功解决了LiMPS纳米片内锂离子传输的各向异性问题。形成的二维连续超离子传导通道，使PA-LiCdPS/PEO的室温离子电导率比无序排列的RA-LiCdPS/PEO高出三个数量级。此外，PA-LiCdPS/PEO和PA-LiMnPS/PEO电解质都表现出类似聚合物的机械柔韧性，有利于与电极保持紧密接触。 研究发现，PA-LiMPS/PEO电解质展现出显著优于传统硫化物电解质的空气稳定性，其核心优势源于LiMPS材料的本征稳定晶体结构。 该研究成功开发了一种高性能的PA-LiCdPS/PEO复合固态电解质，其突破性在于解决了传统固态电解质中离子电导率与机械柔性不可兼得的核心矛盾。此外，研究进一步拓展出具有类似结构的PA-LiMnPS/PEO电解质体系，其在保持高离子电导率的同时，更兼具元素可用性优势、良好的空气稳定性以及无压运行潜力，展现出突出的实用化前景。 相关研究成果在线发表在《自然-纳米技术》（Nature Nanotechnology）上。 论文链接 PA-LiMPS/PEO复合电解质的结构设计 以PA-LiCdPS/PEO为电解质的全固态锂电池的电化学性能