发表论文的研究团队

近期，苏州大学材料与化学化工学部的汪胜教授在国际重量级学术期刊Advanced Materials上发表了题为“Ultrastrong and Tough Graphene Aerogel Fibers with Hierarchical Architecture”的论文。该论文报道了一种新型石墨烯气凝胶纤维，该纤维具有超强和韧性的特点，并且具有分层结构。这种新型石墨烯气凝胶纤维的制备方法简单易行，所得纤维具有超高的拉伸强度和韧性，并且具有显著的储能能力和超高的导电性能，因此在柔性电子、高强度材料和先进能源储存等领域有着广泛的应用前景。这项研究成果的发表不仅提高了我国在新型高性能材料领域中的国际影响力，而且也为石墨烯气凝胶纤维的制备和应用提供了新的思路。

【新智元导读】 2月25日，清华大学工程物理系唐传祥研究组与合作团队在《自然》上发表研究论文《稳态微聚束原理的实验演示》，报告了一种新型粒子加速器光源「稳态微聚束」的首个原理验证实验。与之相关的极紫外光源有望解决自主研发光刻机中最核心的「卡脖子」难题。

最现代的研究用光源是基于粒子加速器的。

这些都是大型设施，电子在其中被加速到几乎是光速，然后发射出具有特殊性质的光脉冲。

在基于存储环的同步辐射源中，电子束在环中旅行数十亿转，然后在偏转磁体中产生快速连续的非常明亮的光脉冲。

相比之下，自由电子激光器(FEL)中的电子束被线性加速，然后发出单次超亮的类似激光的闪光。

近年来，储能环源以及FEL源促进了许多领域的进步，从对生物和医学问题的深入了解到材料研究、技术开发和量子物理学。

现在，一个中德团队证明，在同步辐射源中可以产生一种脉冲模式，结合了两种系统的优点。

2月25日，清华大学工程物理系教授唐传祥研究组与来自亥姆霍兹柏林材料与能源研究中心（HZB）以及德国联邦物理技术研究院（PTB）的合作团队在Nature上发表了题为《稳态微聚束原理的实验演示》（ Experimental demonstration of the mechanism of steady-state microbunching ）的论文。

报告了一种新型粒子加速器光源「稳态微聚束」（Steady-state microbunching，SSMB）的首个原理验证实验。

该研究与极紫外（EUV）光刻机光源密切相关，有望为EUV光刻机提供新技术路线。

SSMB光源首个原理验证实验，中德团队登上Nature

同步辐射源提供短而强烈的微束电子，产生的辐射脉冲具有类似于激光的特性（与FEL一样），但也可以按顺序紧密跟随对方（与同步辐射光源一样）。

大约十年前，斯坦福大学教授、清华大学杰出访问教授、著名加速器理论家赵午和他的博士生Daniel Ratner以提出了「稳态微束」（SSMB）。

赵午教授

该机制还应该使存储环不仅能以高重复率产生光脉冲，而且能像激光一样产生相干辐射。

来自清华大学的青年物理学家邓秀杰在他的博士论文中提出了这些观点，并对其进行了进一步的理论研究。

2017年，赵午教授联系了HZB的加速器物理学家，他们除了在HZB操作软X射线源BESSY II外，还在PTB操作计量光源（MLS）。

MLS是世界上第一个通过设计优化运行的光源，在所谓的 「低α模式 」下运行。

在这种模式下，电子束可以大大缩短。10多年来，那里的研究人员一直在不断开发这种特殊的运行模式。

HZB的加速器专家Markus Ries解释说：「现在，这项开发工作的成果使我们能够满足具有挑战性的物理要求，在MLS实证确认SSMB原理」。

「SSMB团队中的理论小组在准备阶段就定义了实现机器最佳性能的物理边界条件。这使我们能够用MLS生成新的机器状态，并与邓秀杰一起对它们进行充分的调整，直到能够检测到我们正在寻找的脉冲模式」，HZB的加速器物理学家Jörg Feikes说。

HZB和PTB专家使用了一种光学激光器，其光波与MLS中的电子束在空间和时间上精确同步耦合。

这就调制了电子束中电子的能量。

「这使得几毫米长的电子束在存储环中正好转了一圈后分裂成微束（只有1微米长），然后发射光脉冲，像激光一样相互放大」，Jörg Feikes解释道。

「对相干态的实验性探测绝非易事，但我们PTB的同事开发了一种新的光学检测装置，成功地进行了探测。」

SSMB概念提出后，赵午持续推动SSMB的研究与国际合作。

2017年，唐传祥与赵午发起该项实验，唐传祥研究组主导完成了实验的理论分析和物理设计，并开发测试实验的激光系统，与合作单位进行实验，并完成了实验数据分析与文章撰写。

揭示SSMB作为未来光子源潜力的关键一步，是在真实机器上演示其机制。在新的论文中，研究人员报告了SSMB机制的实验演示。

SSMB原理验证实验示意图

实验表明，存储在准等时环中的电子束可以产生亚微米级的微束和相干辐射，由1,064纳米波长激光器诱导的能量调制后一个完整的旋转。

结果验证了电子的光相可以在亚激光波长的精度上逐次相关。

SSMB原理验证实验结果

在这种相位相关性的基础上，研究人员通过应用相位锁定的激光器与电子轮流相互作用来实现SSMB。

该图示直观地展示了如何通过激光调制电子束来产生发射激光的微束，是实现基于SSMB的高重复性、高功率光子源的一个里程碑。

有望解决EUV卡脖子难题

没有顶尖的光刻机，是我国半导体行业发展的最大瓶颈。

光刻机的曝光分辨率与波长直接相关，半个多世纪以来，光刻机光源的波长不断缩小，芯片工业界公认的新一代主流光刻技术是采用波长为13.5纳米光源的EUV（极紫外光源）光刻。

大功率的EUV光源是EUV光刻机的核心基础。简而言之，光刻机需要的EUV光，要求是波长短，功率大。

EUV光刻机工作相当于用波长只有头发直径一万分之一的极紫外光，在晶圆上「雕刻」电路，最后将让指甲盖大小的芯片包含上百亿个晶体管，这种设备工艺展现了人类 科技 发展的顶级水平。

而昂贵的EUV光刻机也正是实现7nm的关键设备，目前，荷兰ASML是全球唯一一家能够量产EUV光刻机的厂商，而由于禁令，我国中芯国际订购的一台EUV仍未到货。

如果中国大陆无法引入ASML的EUV光刻机，则意味着大陆将止步于7nm工艺。

目前ASML公司采用的是高能脉冲激光轰击液态锡靶，形成等离子体然后产生波长13.5纳米的EUV光源，功率约250瓦。而随着芯片工艺节点的不断缩小，预计对EUV光源功率的要求将不断提升，达到千瓦量级。

SSMB光源的潜在应用之一是作为未来EUV光刻机的光源。它们产生的类似激光的辐射也超出了 "光 "的可见光谱，例如在EUV范围内，最后阶段，SSMB源可以提供一种新的辐射特性。脉冲是强烈的、集中的和窄带的。可以说，它们结合了同步辐射光的优势和FEL脉冲的优势。

可以说，基于SSMB的EUV光源有望实现大的平均功率，并具备向更短波长扩展的潜力，为大功率EUV光源的突破提供全新的解决思路。

EUV光刻机的自主研发还有很长的路要走，基于SSMB的EUV光源有望解决自主研发光刻机中最核心的「卡脖子」难题。

关于作者

本文的通讯作者唐传祥教授是清华大学的博士生导师。

1992年9月－1996年3月，考入 清华大学工程物理系硕博连读。1996年3月获得工学博士学位， 博士学位论文为“用于北京自由电子激光装置的多腔热阴极微波电子枪的研究”。

1996年4月获得博士学位后，留校工作。

1996年7月 1998年6月期间，作为访问学者到德国DESY工作2年。在DESY工作期间，主要进行超导加速结构的优化及测量研究，并与J. Sekutowicz, M.Ferrario等合作提出了Superstructure的超导加速结构。

1998年6月回国后，继续在清华大学从事加速器物理、高亮度注入器、汤姆逊散射X射线源、自由电子激光、新加速原理与新型加速结构、电子直线加速器关键物理及技术、加速器应用等方面的研究。

参考资料：

一周内两次登上国际科学期刊，中科大潘建伟团队太“忙”了！

6 月 15 日，《Nature》杂志刊登了潘建伟团队主导的量子通信研究《基于纠缠的千公里级安全量子加密》。

6 月 18 日，《Science》杂志以“First Release”形式刊登了潘建伟、苑震生在超冷原子量子计算和模拟研究的最新进展，题为“Cooling and entangling ultracold atoms in optical lattices”《在光学晶格中冷却和纠缠超低温原子》。

雷锋网注：图片截自 Science

在后者这项研究中，研究人员实验了首次提出的冷却新机制，实验后使系统的熵 降低了 65 倍 ，达到了创纪录的低熵。

在此基础上，研究团队在光晶格中 首次实现了 1250 对原子高保真度纠缠态的同步制备，保真度为 99.3%。

在量子计算领域，量子纠缠被视为核心资源，随纠缠比特数目的增长，量子计算的能力也将呈指数增长。

因此， 大规模纠缠态的制备、测量和相干操控成为了量子计算研究的核心问题。

通常情况下，实现大规模纠缠态要先同步制备大量纠缠粒子对，再通过量子逻辑门操作将其连接形成多粒子纠缠。

由此， 高品质纠缠粒子对的同步制备是实现大规模纠缠态的首要条件。

在实现量子比特的物理体系中，由于具备良好的可升扩展性和高精度的量子操控性，光晶格超冷原子比特和超导比特被视为最可能率先实现规模化量子纠缠的系统。

早在 2010 年，中科大研究团队就与德国海德堡大学展开了合作，对基于超冷原子光晶格的可拓展量子信息处理展开联合攻关。

研究人员开发了具有自旋依赖特性的超晶格系统，形成了一系列并行的双阱势。

不仅如此，每个双阱势用光场产生了有效磁场梯度，结合微波场，实现了对超晶格中左右格点及两种原子自旋等自由度的高保真度量子调控。

据量子物理和量子信息研究部的说法，在早期研究中，研究团队使用 Rb-87 超冷原子制备了 600 多对保真度为 79% 的超冷原子纠缠态并使用该体系调控特殊的环交换相互作用产生四体纠缠态，模拟了拓扑量子计算中的任意子激发模型。

但由于 晶格中原子的温度偏高，使其填充缺陷大于 10%， 不利于形成更大的多原子纠缠态和提升纠缠保真度。

因此，光晶格超冷原子比特系统需要进一步提升。

论文指出，研究团队首次提出了新制冷机制，即利用交错式晶格结构将处在绝缘态的冷原子浸泡到超流态中，通过绝缘态和超流态之间高效率的原子和熵的交换，以超流态低能激发的形式存储系统中的热量，再用精确的调控手段移除超流态，从而获得低熵的填充晶格。

基于此，研究人员在一个具有 10000 个原子的量子模拟器展开了实验。在二维平面上，研究人员将莫脱绝缘体样品浸泡在可移动的超流体储层中使其冷却。

雷锋网注：图为光晶格中原子冷却的示意图

结果显示，制冷后使系统的熵达到了创纪录的低熵， 降低了 65 倍 ，不仅如此， 晶格中原子填充率大幅提高到 99.9% 以上，达到近乎完美的程度。

在这一制冷基础上，研究人员进一步推进研究。

研究人员开发了两原子比特高速纠缠门，最终 获得了纠缠保真度为 99.3% 的 1250 对纠缠原子。

对此，研究人员表示，其研究为 探索 低能量多体相提供了一个环境，使产生大规模的纠缠更具可能性。

另外，对于这一研究结果，《Science》杂志的审稿人给与了正面评价：

超冷原子量子计算和模拟研究之所以能取得新突破，离不开以潘建伟、苑震生为主导的研究团队，而从其过往的研究经历来看，二位来头不小。

潘建伟

潘建伟，有“量子之父”之称，是“墨子号”的首席科学家。主要从事量子物理和量子信息等方面的研究，是国际上量子信息实验研究领域开拓者之一，同时也是该领域具有重要国际影响力的科学家。

虽然一周连登两次国际期刊，但潘建伟的高光，远不止如此；不仅多次登上国际期刊，还屡次创下记录，主要包括：

苑震生

苑震生，中国科学技术大学教授，其研究方向包括超冷原子量子调控、量子光学，以及原子分子物理。

据量子物理与量子信息研究部官方介绍，苑震生教授在国际权威学术期刊上发表研究论文多达 40 余篇，总引用 2000 次。

其中包括：

·······

尽管这些“最可爱的人”已取得了许多成就，但他们仍未停歇，不断用新的研究成果刷新着我国在量子计算和模拟的进步。

期待更多的研究成果的发布，雷锋网也将持续关注。

参考资料：雷锋网

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