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1 成果簡介隨著我國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展和人民生活水平的提高，環(huán)境污染、疾病監(jiān)測、食品安全等民生熱點(diǎn)日益受到人們的關(guān)注。如何對上述問題進(jìn)行簡單、快速的監(jiān)控，將一些危害降至最低，保障人民生活和生產(chǎn)，這就需要一種可實(shí)時(shí)實(shí)地檢測、操作簡便的多應(yīng)用傳感器件。 表面等離子體波（ SPP）傳感器是一種基于光學(xué)檢測的傳感器件，被廣泛用于藥物篩選、食物檢測、環(huán)境監(jiān)測和細(xì)胞膜模擬等方面。相對于目前常見的化學(xué)、電子、力學(xué)等傳感器，SPP 傳感器擁有實(shí)時(shí)檢測、無需標(biāo)記、對被檢測物無損害、探測方法簡單等眾多優(yōu)點(diǎn)。為了降低成本、 穩(wěn)定性能、減小體積，集成型 SPP 傳感器件的成為了現(xiàn)今研究熱點(diǎn)。然而現(xiàn)有的集成型 SPP 傳感器件普遍存在靈敏度低，探測范圍小等問題，限制了其應(yīng)用的推廣。 課題組從 2006 年開始合作從事集成型 SPP 傳感器件研究，在清國家 973 項(xiàng)目、自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目、教育部清華大學(xué)自主研究項(xiàng)目等項(xiàng)目資助下， 創(chuàng)新性提出一種基于 SPP-介質(zhì)波導(dǎo)異質(zhì)垂直耦合器的可集成生化傳感芯片，并對傳感芯片的傳感特性和應(yīng)用進(jìn)行了深入研究和探索。芯片的特點(diǎn)和性能如下：可集成，芯片體積小，可與便攜設(shè)備集成；可批量生產(chǎn)，價(jià)格低廉；靈敏度較傳統(tǒng)的集成型 SPP 傳感器件高出一個(gè)數(shù)量級；可實(shí)現(xiàn)對傳感區(qū)域的精確或者大范圍調(diào)節(jié)；可實(shí)現(xiàn)對納米量級大小的物質(zhì)的探測；傳感性能穩(wěn)定，應(yīng)用領(lǐng)域廣泛。上述優(yōu)點(diǎn)表明該芯片可以工廠大批量生產(chǎn)經(jīng)營，也可以用于實(shí)驗(yàn)室的科研研究，在化學(xué)，生物，醫(yī)學(xué)等多 個(gè)領(lǐng)域均有應(yīng)用價(jià)值。查新表明，國內(nèi)外目前尚未發(fā)現(xiàn)有相似原理的器件。 圖 1 (a) 集成型 SPP 傳感芯片與一元硬幣尺寸對比圖 (b) 傳感芯片的顯微鏡照片2 應(yīng)用說明可集成型 SPP 生化傳感芯片在實(shí)驗(yàn)室經(jīng)多次驗(yàn)證，可以實(shí)現(xiàn)對折射率液體以及納米級薄層物質(zhì)的高靈敏探測，并初步應(yīng)用于對雙酚 a（簡稱 BPA，一種塑料生長常用原料，每年生產(chǎn)將近 2700 萬噸含 BPA 的塑料類物質(zhì)， BPA 具有胚胎致畸性和致毒性）的檢測。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該芯片對于 BPA 的探測極限濃度可以達(dá)到 0.1ng/ml （歐盟公布食品準(zhǔn)則中水含有BPA 的最高濃度為 1ng/ml）。3 效益分析由于目前國內(nèi)尚無同類產(chǎn)品， 而且此產(chǎn)品在疾病檢驗(yàn)，環(huán)境監(jiān)測，藥品鑒別等多個(gè)領(lǐng)域具有應(yīng)用價(jià)值， 因此本儀器具有較大的市場推廣空間。本傳感芯片價(jià)格低廉，使用簡便，對樣品無二次污染，性能穩(wěn)定，甚至對納米量級的生化小分子探測均具有高靈敏度，相對于其他類型的傳感器件， 具有明顯的經(jīng)濟(jì)和技術(shù)優(yōu)勢。

由中電云腦（天津）科技有限公司（簡稱“中電云腦”）聯(lián)合天津大學(xué)共同研發(fā)的國產(chǎn)首款腦機(jī)編解碼集成芯片——“腦語者”是一款擁有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的國產(chǎn)高集成腦-機(jī)交互芯片，可適用于特種醫(yī)學(xué)、康復(fù)醫(yī)學(xué)、腦認(rèn)知、神經(jīng)反饋、信號處理等腦-機(jī)混合智能的重點(diǎn)應(yīng)用領(lǐng)域。“腦語者”芯片是中國電子信息產(chǎn)業(yè)集團(tuán)（簡稱“中國電子”）和天津大學(xué)

面向日益復(fù)雜多樣的電子產(chǎn)品應(yīng)用場景，電子設(shè)備的小型化進(jìn)程不斷加快，對于高集成、多模式、多功能的芯片需求飛速高漲。本項(xiàng)研究成果針對生物醫(yī)療電子、個(gè)人無線體域網(wǎng)、近距離無感支付、車載定位、戰(zhàn)場實(shí)時(shí)感知、無人機(jī)導(dǎo)航等應(yīng)用需求，提出一種超寬帶無線通信兼具FMCW雷達(dá)測距的復(fù)合型收發(fā)機(jī)創(chuàng)新性結(jié)構(gòu)。收發(fā)機(jī)采用超寬帶射頻調(diào)頻+可再生型鑒頻技術(shù)，實(shí)現(xiàn)通信及雷達(dá)的共架構(gòu)方案；提出多相中頻時(shí)差測距機(jī)理，將分辨率提高2個(gè)數(shù)量級，達(dá)到mm級精確測距，動(dòng)態(tài)范圍擴(kuò)大4倍；射頻前端基于電流共享技術(shù)，實(shí)現(xiàn)射頻振蕩器+功放、低噪放+鑒頻+混頻的一體化實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)功耗優(yōu)化40%；提出子載波發(fā)生器+頻率校正環(huán)路的數(shù)字化復(fù)用結(jié)構(gòu)，發(fā)射機(jī)可半數(shù)字化實(shí)現(xiàn)，從而得到一款支持無線數(shù)據(jù)傳輸、時(shí)差/頻差/相差雷達(dá)測距的極低功耗復(fù)用型收發(fā)芯片。 圖1.研制的通信+雷達(dá)集成收發(fā)機(jī)芯片顯微照片

微晶玻璃腔體是激光陀螺的重要元件和組成部分，為了降低對進(jìn)口材料的依賴程度、提高國產(chǎn)化水平，對國產(chǎn)微晶玻璃腔體在激光陀螺批量化生產(chǎn)中的可行性進(jìn)行分析，主要研究內(nèi)容包括：國產(chǎn)微晶玻璃的制造工藝；采用國產(chǎn)微晶玻璃腔體與采用進(jìn)口微晶玻璃腔體的激光陀螺性能比較；使用國產(chǎn)微晶玻璃腔體激光陀螺樣機(jī)。使用國產(chǎn)化微晶玻璃腔體激光陀螺樣機(jī)零偏穩(wěn)定性和溫度零偏變化率能夠達(dá)到現(xiàn)有水平。

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利用大規(guī)模集成硅基納米光量子芯片技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對高維度光量子糾纏體系的高精度和普適化量子調(diào)控和量子測量。 （圖一）基于硅納米光波導(dǎo)的大規(guī)模集成光量子芯片(可實(shí)現(xiàn)對高維量子糾纏體系的高精度、可編程、且任意通用量子操控和量子測量)       集成光學(xué)量子芯片技術(shù)，基于量子力學(xué)基本物理原理，使用半導(dǎo)體微納加工工藝實(shí)現(xiàn)單片集成光波導(dǎo)量子器件（包括單光子源、量子操控和測量光路，以及單光子探測器等），可以實(shí)現(xiàn)對量子信息的載體單光子進(jìn)行處理、計(jì)算、傳輸和存儲(chǔ)等。集成光學(xué)量子芯片具有集成度高、穩(wěn)定性高、性能好、體積小、制造成本低等諸多優(yōu)點(diǎn)。因此，該技術(shù)被普遍認(rèn)為是一種實(shí)現(xiàn)光量子信息應(yīng)用的有效技術(shù)手段。      利用硅基納米光波導(dǎo)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的光量子芯片具有諸多獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，例如與傳統(tǒng)微電子加工工藝兼容、可集成度高、非線性效用強(qiáng)、以及工作波長與光纖量子通信兼容等。然而，迄今為止光量子芯片的復(fù)雜度僅限于小規(guī)模的演示，如集成少數(shù)馬赫-曾德干涉儀對光子態(tài)進(jìn)行簡單操控。因此，我們迫切需要擴(kuò)大集成量子光路的復(fù)雜性和功能性，增強(qiáng)其量子信息處理技術(shù)的能力，從而推進(jìn)量子信息技術(shù)的應(yīng)用。       相干且精確地控制復(fù)雜量子器件和多維糾纏系統(tǒng)是量子信息科學(xué)和技術(shù)領(lǐng)域的一項(xiàng)難點(diǎn)。相對于目前普遍采用的二維體系量子技術(shù)，高維體系量子技術(shù)具有信息容量大、計(jì)算效率高、以及抗噪聲性強(qiáng)等諸多優(yōu)點(diǎn)。最近，多維度量子糾纏系統(tǒng)已分別在光子、超導(dǎo)、離子和量子點(diǎn)等物理體系中實(shí)現(xiàn)。利用光子的不同自由度，如軌道角動(dòng)量模式、時(shí)域和頻域模式等，可以有效編碼和處理多維光量子態(tài)。然而，實(shí)現(xiàn)高保真度、可編程、及任意通用的高維度量子態(tài)操控和量子測量，依然面臨很多困難和挑戰(zhàn)。       針對上述問題，英國布里斯托爾大學(xué)、北京大學(xué)、丹麥技術(shù)大學(xué)、德國馬普研究所、西班牙光學(xué)研究所和波蘭科學(xué)院的科研人員密切合作，并取得了突破性進(jìn)展。研究團(tuán)隊(duì)提出并實(shí)現(xiàn)了一種新型的多路徑加載高維量子態(tài)方式，即每個(gè)光子以量子疊加態(tài)的形式同時(shí)存在于多條光波導(dǎo)路徑，從而實(shí)現(xiàn)了一個(gè)高達(dá)15×15的高維量子糾纏系統(tǒng)。通過可控地激發(fā)16個(gè)參量四波混頻單光子源陣列，可以制備具有任意復(fù)系數(shù)的高維度量子糾纏態(tài)。通過單片集成通用型線性光路，可對高維量子糾纏態(tài)進(jìn)行任意操控和任意測量。因此，該多路徑高維量子方案具有任意通用性。與此同時(shí)，團(tuán)隊(duì)充分利用集成光路的高穩(wěn)定性和高可控性，實(shí)現(xiàn)了高保真度的高維量子糾纏態(tài)，如4、8和12維度糾纏態(tài)的量子態(tài)層析結(jié)果分別為96、87% 和 81%保真度，遠(yuǎn)超其他方式制備的高維量子糾纏態(tài)性能。       更重要的是，團(tuán)隊(duì)通過硅基納米光子集成技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了目前集成度最復(fù)雜的光量子芯片（圖一所示），單片集成550多個(gè)光量子元器件，包括16個(gè)全同的參量四波混頻單光子源陣列、93個(gè)光學(xué)移相器、122個(gè)光束分束器、256個(gè)波導(dǎo)交叉結(jié)構(gòu)以及64個(gè)光柵耦合器，從而達(dá)到對高維量子糾纏體系的高精度、可編程、且任意通用量子操控和量子測量。       研究進(jìn)一步利用該高維光量子芯片技術(shù)，驗(yàn)證高維度量子糾纏系統(tǒng)的強(qiáng)量子糾纏關(guān)聯(lián)特性，包括普適化貝爾不等式和EPR導(dǎo)引不等式等，證明量子物理和經(jīng)典物理定律的重要區(qū)別。例如，對4維度量子糾纏態(tài)，實(shí)驗(yàn)觀察得到了2.867±0.014的貝爾參數(shù)，不僅成功違背經(jīng)典物理定律61.9個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差，而且超過普通二維糾纏體系的最大可到達(dá)值的2.8個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差。研究還首次實(shí)現(xiàn)高維量子系統(tǒng)的貝爾自檢測和量子隨機(jī)放大等新功能，例如，對3維度最大糾纏態(tài)和部分糾纏態(tài)的自檢測保真度約為76%，對14維以下糾纏態(tài)均實(shí)現(xiàn)了量子隨機(jī)放大功能。

已有樣品/n針對各種生物醫(yī)用儀器對心電、腦電、肌電、神經(jīng)電等電生理信號采集與分析的需求，研制出了一系列專用集成電路芯片。其中包括：1、一款適合大多數(shù)生理信號的通用前端集成電路，完成從電生理傳感器輸出市場預(yù)期：市場需求量：芯片300萬顆/年，傳感器3000萬-5000萬顆/年；可應(yīng)用系統(tǒng)：小型化便攜式電生理檢測設(shè)備、移動(dòng)健康產(chǎn)品、穿戴式健康產(chǎn)品。的原始信號到CMOS或TTL等標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字電平信號之間的轉(zhuǎn)換，這款前端電路的功能包括跟隨、前放、A/D、濾波等基本功能。2、多款專用的信號處理后端集

大幅提升接收靈敏度、抗干擾能力和信噪比的“高溫超導(dǎo)接收前端”系統(tǒng)。功能介紹:“高溫超導(dǎo)接收前端”利用高溫超導(dǎo)技術(shù)，可廣泛應(yīng)用于軍民用通信、雷達(dá)、電子對抗等眾多領(lǐng)域，替代常規(guī)技術(shù)接收前端，給接收系統(tǒng)性能帶來跨越式提升。在通信領(lǐng)域，能夠大幅提高無線通信基站的接收靈敏度，改善基站抗干擾能力，對基站的上行鏈路信號提供前所未有的增強(qiáng)。高溫超導(dǎo)通信接收前端部署簡單可靠，即插即用，無需復(fù)雜的配置。一旦部署，無需維護(hù)。高溫超導(dǎo)接收前端系統(tǒng)應(yīng)用于通信接收前端可以給運(yùn)營商帶來長期穩(wěn)定的運(yùn)行收益，在不改變網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，不增加基站的前提下，可顯著提高基站覆蓋面積，增加網(wǎng)絡(luò)容量，對于終端用戶，通話質(zhì)量也會(huì)得到明顯的改善，數(shù)據(jù)傳輸速率大幅提升，同時(shí)還能減少手機(jī)輻射，保護(hù)用戶健康。

大幅提升接收靈敏度、抗干擾能力和信噪比的“高溫超導(dǎo)接收前端”系統(tǒng)。功能介紹:“高溫超導(dǎo)接收前端”利用高溫超導(dǎo)技術(shù)，可廣泛應(yīng)用于軍民用通信、雷達(dá)、電子對抗等眾多領(lǐng)域，替代常規(guī)技術(shù)接收前端，給接收系統(tǒng)性能帶來跨越式提升。在通信領(lǐng)域，能夠大幅提高無線通信基站的接收靈敏度，改善基站抗干擾能力，對基站的上行鏈路信號提供前所未有的增強(qiáng)。高溫超導(dǎo)通信接收前端部署簡單可靠，即插即用，無需復(fù)雜的配置。一旦部署，無需維護(hù)。高溫超導(dǎo)接收前端系統(tǒng)應(yīng)用于通信接收前端可以給運(yùn)營商帶來長期穩(wěn)定的運(yùn)行收益，在不改變網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，不增加基站的前提下，可顯著提高基站覆蓋面積，增加網(wǎng)絡(luò)容量，對于終端用戶，通話質(zhì)量也會(huì)得到明顯的改善，數(shù)據(jù)傳輸速率大幅提升，同時(shí)還能減少手機(jī)輻射，保護(hù)用戶健康。