自由度和标准

量子纠缠是量子信息中的核心资源，它已经广泛应用到量子测量、量子通信以及量子计算领域。纠缠态的产生、发展和创新极大地推动了第二次量子革命的发展。随着量子信息技术的发展，多模、大尺度的连续变量量子态成为研究的发展方向，以满足大容量量子通信、分布式及多参数、容错量子计算的需求。为了满足量子计算需求和构建量子网络，需要获得大尺度纠缠态。目前，研究人员基于光场时间、空间或频率结构模式，制备出了可观数目的光场纠缠，并已经实现了单自由度复用的连续变量量子通信，展现了增强信道容量的前景。而进一步扩展纠缠数目，需要对多个自由度的同时调控技术，构建连续变量高维纠缠光场。为解决上述问题，山西大学量子光学与光量子器件国家重点实验室的郜江瑞团队通过色散、像散补偿技术和多模参量控制技术，实现了光学参量振荡器中多自由度光场的共振输出，获得了同时具有频率梳、自旋和轨道角动量纠缠的连续变量高维纠缠。并基于其中产生的高维纠缠态，演示了空间-频率复用的量子密集编码协议。相关研究成果发表于Photonics Research 2022年第12期。如图所示，通过光学参量下转换过程产生的纠缠光子对具有多个物理自由度。关联光子A，B具有对称“能级”，相反的轨道角动量和相互垂直的偏振。在实验中，量子关联的测量通过可独立选择的一对参考光场，在平衡零拍探测系统中提取。图（a）参量下转换过程纠缠光子三自由度示意图；(b)多模光学参量谐振器同时输出多个“能级”的三自由度纠缠；(c) 实验验证装置；(d) 完整的第一“能级”纠缠关系测量（左图）及其在复用量子密集编码的演示（右图）实验结果表明，光学参量谐振器直接输出了携带频率梳，自旋角动量和轨道角动量的三自由度高维纠缠，达到-3.3 dB的纠缠水平。值得一提的是，该谐振器有能力直接输出约2000个“能级”共计8000对的量子纠缠。为探究多自由度高维纠缠资源在量子信息的潜能，团队首次实验演示了空间-频率复用的量子密集编码，图（d）展示了量子通信信道容量的显著增强。刘奎教授表示：“相比于传统的连续变量纠缠产生方案，多自由度、多模光学参量谐振器产生的纠缠光源具有更高可扩展性，更丰富光场结构的特点，不但适合高信道容量量子通信需求，而且可用于实现特别的量子任务，例如量子多参数测量，多自由量子界面和混合型的高维量子离物传态等。”目前对于连续变量高维纠缠的研究还有许多开放性问题值得研究，如是否具有与分离变量高维纠缠类似的纠缠特性，更高的安全性，和更强的抗噪能力等。团队后续将进一步开展更高纠缠水平、更多元的纠缠数量以及多自由度分离及交互的研究，同时开展基于连续变量高维纠缠的应用研究，如高维量子离物传态以及其在量子传感和量子测量领域的应用。

近期，由北京交通大学物理工程学院冯其波教授主持完成的“面向数控机床的激光多自由度误差同时测量关键技术及应用”科技成果顺利通过鉴定。科技成果鉴定会由中国仪器仪表学会组织召开。校长王稼琼参加鉴定会。鉴定委员会由华中科技大学校长尤政院士任主任委员，清华大学金国藩院士、天津大学叶声华院士、西安交通大学蒋庄德院士、哈尔滨工业大学谭久彬院士、兰州空间技术物理研究所李得天院士任副主任委员，委员包括北京理工大学赵维谦教授、北京长城计量测试技术研究所张力研究员、北京信息科技大学祝连庆教授、北京航空航天大学徐立军教授、中国石油大学（华东）于连栋教授、宁波天瑞精工机械有限公司李全林高级工程师组成。鉴定会由中国仪器仪表学会秘书长张彤主持。会上，王稼琼代表学校致辞，对六位院士及与会专家的到来表示热烈欢迎，对中国仪器仪表学会对我校成果鉴定和奖励申报等工作的关心和支持表示感谢，并简要介绍了我校冯其波教授团队在高端装备制造、精密测量与仪器领域的研究和发展情况。冯其波教授就该成果的研究背景、研究历程及主要创新工作进行了详细介绍，并现场演示了所研制的测量仪器。鉴定委员会审阅了测试报告、查新报告、用户使用报告、经济社会效益报告等材料，高度肯定了冯其波教授带领团队二十余年来在装备制造与精密测量领域所取得的成绩。鉴定委员会一致认为：该成果技术难度大、创新性强、核心技术具有自主知识产权，成果整体处于国际先进水平，在直线轴、转轴六自由度误差同时测量技术和五轴数控机床42项误差激光直接测量技术方面属国际领先水平。

【研究背景】近年来，神经科学的研究不断发展，特别是在理解大脑如何调控行为方面。传统上，神经科学家通常对各个独立的脑区进行研究，以确定其在行为中的作用。然而，随着神经记录技术的进步，如高密度硅神经记录探针（Neuropixels）和中尺度光学成像系统，这一研究方法已发生改变。新的技术能够同时记录成千上万神经元的活动，使科学家能够深入研究分布在多个解剖和功能上不同的脑区的神经基础。这些技术的广泛应用对于探索复杂的行为机制具有重要意义，但其大型的形态和重量使得传统的记录方式通常要求将动物固定，限制了其行为表现。与传统的头部固定方法相比，使用小型化神经记录设备的尝试尽管有效，却常常需要在设备性能和负载之间做出权衡，导致记录数据的准确性受到影响。这些限制引发了新的挑战，如何在自由活动的情况下进行大规模的神经记录成为一个亟待解决的问题。近日，来自美国明尼苏达大学ames Hope，Suhasa B. Kodandaramaiah教授课题组的研究团队在这一领域取得了新进展。他们设计并制备了一种创新的机器人神经记录设备——“颅骨外骨骼”。该设备能够有效支持比小鼠更大且更重的记录头架，使小鼠在物理行为环境中能够自由活动。通过发现的最佳控制器参数，研究人员实现了小鼠以生理上真实的速度运动，同时保持自然步态。这一设备的成功应用使小鼠能够在二维行为场中灵活移动，并高效地进行感觉线索引导的决策任务。利用新型的机器人成像和电生理头架，该团队显著提高了神经记录的性能，成功获取了成千上万的神经元活动数据。这一成果不仅推动了神经科学领域对大脑与行为关系的理解，也为进一步的研究提供了新的技术路径和理论基础，展现了在自由活动条件下进行大规模神经记录的巨大潜力。【仪器解读】本文通过结合广域成像与多点电生理学技术，基于现代神经科学的研究原理，首次研发了一种机器人外骨骼（exoskeleton）仪器，从而实现了对小鼠在自然物理环境中行为的全面表征与分析，最终揭示了神经活动如何介导与生物相关的复杂行为。这一创新的设备不仅突破了以往仅限于头固定状态的实验限制，还为小鼠提供了自然的多感官体验，包括运动-前庭输入耦合、自然的眼-头部运动耦合、以及对物理边界的触须反应等。这种自然环境下的神经表征，能够更加真实地反映小鼠的感知与行为，进而为探索大脑如何在复杂生态环境中调节行为提供了新的研究途径。针对小鼠在控制自由度（1或3个自由度）下的行为表现，本文通过机器人-啮齿动物交互动态的分析，得到了机器人对小鼠行为影响的深入理解。研究表明，尽管在我们研究的导航任务中，行为表现未受到显著影响，但一些行为（如转向时的步态和快速头部转动）可能因机器人控制的带宽限制而受到抑制。因此，未来将机器人自由度扩展至6个，并提高控制带宽，将有助于更自然地呈现小鼠的行为，如梳理和转向，从而拓宽行为研究的范围。此外，本文利用线性通量控制器为小鼠提供了可预测的机器人-啮齿动物界面，进而实现了对实验设计的有效控制。这为进一步探索非线性控制方法、个性化控制参数和逐步调整控制参数提供了新的研究方向，这些方法在已成功应用于人类的机器人外骨骼控制中，并可能同样适用于小鼠。通过监测多个身体部位与颅骨施加的力之间的相互作用，结合传感器融合的方法，有望实现对小鼠更加完整的自然行为的呈现。最后，本文在仪器设计上为未来的实验提供了丰富的拓展空间。新的头架设计允许同时插入多达12个CMOS记录探针，从而实现对成千上万神经元的同时记录。此外，结合多光子成像、电生理学和光遗传学等技术，可以在外骨骼上实现更复杂的实验设计。本文的创新性工作不仅为未来的神经科学研究提供了新的工具，也为理解小鼠在复杂环境中的行为机制奠定了基础。颅骨外骨骼辅助小鼠在导航物理空间的全脑神经记录【科学启迪】本文探讨了一种创新的鼠类外骨骼系统，该系统结合了现代神经科学中的宽场成像和多点电生理技术。研究表明，通过扩展鼠类在物理环境中的自由度，可以为其提供更自然的多感官体验，这有助于揭示大脑活动如何调节复杂的行为。这一发现强调了自然环境对神经表征的重要性，促进了对老鼠在自由行为中认知和行为反应的理解。此外，外骨骼的设计和控制技术为研究者提供了更多实验设计的灵活性，允许他们精确控制实验条件，以深入探讨鼠类的行为反应和意图。虽然目前的系统在自由度和带宽上存在一定限制，但未来的改进将可能实现更自然的行为表现。研究还指出，非线性控制方法和传感器融合技术在提升机器人-啮齿动物接口的表现方面具有潜力。这些成果不仅为理解小鼠的神经活动提供了新的视角，也为开发高效的神经技术和脑机接口奠定了基础，预示着在神经科学和机器人技术结合领域的广阔前景。参考文献：Hope, J., Beckerle, T.M., Cheng, PH. et al. Brain-wide neural recordings in mice navigating physical spaces enabled by robotic neural recording headstages. Nat Methods (2024). https://doi.org/10.1038/s41592-024-02434-z