多光子非线性量子干涉首次实现 为新型量子态制备等应用奠定基础******

　　科技日报合肥1月16日电 (记者吴长锋)记者16日从中国科学技术大学获悉，该校郭光灿院士团队任希锋研究组与国外同行合作，基于光量子集成芯片，在国际上首次展示了四光子非线性产生过程 的干涉 。相关成果日前发表在光学权威学术期刊《光学》上 。

　　量子干涉 是众多量子应用的基础 ，特别是近年来基于路径不可区分性产生的非线性干涉过程越来越引起人们 的关注 。尽管双光子非线性干涉过程已经实现了20多年 ，并且在许多新兴量子技术中得到应用 ，直到2017年 ，人们才在理论上将该现象扩展到多光子过程 ，但实验上由于需要极高的相位稳定性和路径重合性 ，一直未获得新进展 。光量子集成芯片，以其极高的相位稳定性和可重构性逐渐发展成为展示新型量子应用 、开发新型量子器件的理想平台 ，也为多光子非线性干涉研究提供了实现 的可能性。

　　任希锋研究组长期致力于硅基光量子集成芯片开发及相关应用研究并取得系列重要进展。在前工作基础上 ，研究组通过进一步将多光子量子光源模块 、滤波模块和延时模块等结构片上级联 ，在国际上首次展示了四光子非线性产生过程的相干相长 、相消过程，其四光子干涉可见度为0.78。而双光子符合并未观测到随相位的明显变化 ，这同理论预期一致 。整个实验在一个尺寸仅为3.8×0.8平方毫米 的硅基集成光子芯片上完成 。

　　这一成果成功地将两光子非线性干涉过程扩展到多光子过程 ，为新型量子态制备 、远程量子计量以及新的非局域多光子干涉效应观测等应用奠定了基础 。审稿人一致认为这是一个重要的研究工作 ，并给出了高度评价：该芯片设计精良 ，包含多种集成光学元件 ，如纠缠光子源 、干涉仪 、频率滤波器/组合器 ；这项工作推动了集成光子量子信息科学与技术研究领域 的发展。

我们距离“三体世界”还有多远？这些“黑科技”正在走向现实…...******

　　最近 ，《三体》动画开播 。被翻译成不同语言 、畅销世界多地 的小说《三体》，除了其庞大的设定 、对宇宙的恢宏描写以及跌宕起伏 的剧情外 ，最令人着迷 的就是作者刘慈欣对未来航天科技 的设想。

　　这些天马行空 的“黑科技” ，有哪些是正在实现或部分实现的呢 ？我们一起去看看：

    图源 ：《三体》微博

　　从“飞刃”到碳纳米技术

　　在《三体》中 ，“飞刃”被用来执行代号“古筝行动” 的秘密军事行动，这种极细的丝状纳米材料 ，将叛军船只“审判日”号切割成了条状。

    图源：《三体》动画

　　按原著设定来看 ，“飞刃”是一种超高强度的纳米材料。

　　在现实中 ，最接近其特征的就 是具有超高机械强度和低密度 的碳纳米管 ，但它目前还无法做到像三体中“飞刃”一样，横跨运河两端几十个来回那么长。

　　 2022年4月 ，美国《国家科学院院刊》（PNAS）刊载 ，中国科学家首次在高压下合成高度有序晶态金刚石结构纳米线 。这种金刚石纳米线在长度方向可以无限生长 ，粗细仅相当于一根头发丝的十万分之一 ，具有与碳纳米管相当或更高的拉伸强度和极强的柔韧性，想来在实践中运用指日可待。

    金刚石纳米线

    图源：科普中国

　　从头盔感应技术到虚拟现实设备

　　《三体》中不止一次提到了头盔感应技术 。

　　每次进入三体游戏世界 ，科学家汪淼都需要穿上虚拟现实装备，装备包括一个全视角显示头盔和一套感应服构成的“V装具” 。通过记录视网膜特征 ，感应服可以使玩家从肉体上感觉到游戏中 的击打、刀刺和火烧 。

    图源 ：《三体艺术插画集》by 山野

　　按照原著设定 ，“V装具”就 是虚拟现实设备（Virtual Reality ，VR）。它和增强现实技术（Augmented Reality，AR）不同，虚拟现实可在虚拟信息里模拟出现实世界。

　　现今，大部分虚拟现实技术更强调视觉体验，一般是通过电脑屏幕 、特殊显示设备或立体显示设备获得 的。

　　与V装具头盔接近的设备便 是VR头显。

    VR头显

    图源 ：凤凰网

　　 VR头显可将人的对外界的视觉 、听觉封闭 ，引导用户产生一种身在虚拟环境中的感觉。如果要使用VR头显进行游戏，往往还需要配套 的手柄或手套用以操控。就目前的实际情况来说，还很难形成一个高逼真 的虚拟现实环境，无法拥有三体游戏里那种身临其境的丝滑体验 。

　　从“思维透明”“思想钢印”到脑机接口

　　《三体》刻画了两种信息感知机制。

　　其一是思维透明 。三体人 的信息感知方式是直接发射自己 的思维，三体人一开始思考 ，他 的想法别人就能够知道 ，无法隐藏 ；

　　其二是思想钢印。第三位面壁者比尔·希恩斯发现了人类思维做出判断 的机制，成功研制出一种设备，通过对神经元网络施加影响 ，使大脑不经思维就作出判断，相信某个信息为真 。

　　按照原著设定 ，思维透明和思想钢印，都 是对心智这一神秘领域的重新认识 。

    图源：《三体》动画

　　而现实中 ，让机器直接解码神经活动的技术被称为“脑机接口” 。

　　单向脑机接口 的情况下，计算机接受大脑传来的命令，或者发送信号到脑，但不能同时发送和接收信号 ，类似于三体中的思想钢印。

　　双向脑机接口允许脑和外部设备间的双向信息交换，就像三体人的透明思维，可以感知别人，也无法隐藏自己 。

　　脑机接口已经在医疗领域有了很多应用，脑控智能轮椅、脑控打字机、脑控机械外骨骼、脑控智能假肢等等都 是试图绕开已经坏损 的神经或者部位，让机器直接解码神经活动 。

　　如何准确地对思维进行解码和编码，是现在脑机接口面临 的最大挑战 ，也 是目前无法实现思维钢印，思维透明 的根本原因 。

    脑机接口

    图源：网易号“蓝海长青智库 ”

　　从无穷能源到可控核聚变试验

　　《三体》世界中的人类社会虽然没有实现罗辑口中 的“无穷的能源”，却也是有极度充盈的能源供给支撑起整个地球的无线供电，而这个能源就来自可控核聚变 。

    图源 ：《三体设定集》

　　现实世界中 ，早在上世纪 50 年代，人类便开始研究用于民用目的的可控核聚变。近几年，“核能新浪潮”抬头 ，这一“终极能源”的研究更 是得到了世界各国 的大力推崇 。

　　2022年12月5日，美国科研人员在劳伦斯 · 利弗莫尔国家实验室（LLNL）进行了历史上首次可控核聚变实验。

　　核聚变 是太阳和恒星的能量来源。在这些星体核心 的巨大热量和重力下，氢原子核相互碰撞 ，聚合成更重的氦原子 ，并在此过程中释放出大量能量 。与其他核反应不同 ，核聚变不会产生放射性废物。核聚变技术有望为人类提供近乎无限 的清洁能源，帮助人类摆脱对化石燃料的依赖 。

　　2021年 ，中国 的“人造太阳”全超导托卡马克核聚变实验装置（EAST）便实现了1056秒的长脉冲高参数等离子体运行。依靠该技术，最终建成可控核聚变发电站 。

    全超导托卡马克核聚变实验装置（EAST）

    图源 ：新华社

　　把时间拉长 ，科技和科幻没有分界线 。

　　科技与未来接轨 的脚步在不断加速，科幻 的无限想象为“黑科技”画出蓝图 。期待在未来科学家们通过试验 ，将《三体》中“飞刃”“思想钢印”“水滴”等表述具象化 ，展现科技力量 ！

　　(审核：张宁 策划：李政葳 统筹：穆子叶 撰文：雷渺鑫)

　　参考 | 北京科技报、知乎 、科普中国、三体社区 、海峡卫视 、凤凰网