최근, 난징(南京)대학 물리학원 마샤오쑹(馬小松) 연구팀은 최초로 단일광자 파동성 및 입자성의 비국소성 영역 중첩 제어를 시연했다. 해당 성과는 "Nature" 자매지인 "Nature Photonics"에 게재됐다. 광(Light)이 입자인지 아니면 파동인지에 관한 논쟁은 여러 세기를 경과했다. 20세기 양자물리학 구축 과정에서 광의 파동-입자 이중성 즉 광은 입자인 동시에 파동이며 파동과 입자의 중첩상태임을 발견했다. 따라서 어떠한 제어 수단을 통해 광자가 요구에 따라 오직 입자성 또는 파동성만 나타내게 할 수 없겠는지에 대한 문제가 제안됐다. 물리학자 존 휠러(John Wheeler)가 제안한 지연 선택실험에 의하면 1명의 외부 관측자는 실험장치 중의 1개 광자 소자에 대한 제어를 통해 단일광자가 파동성 또는 입자성을 나타내도록 능동적으로 선택할 수 있으며 더 나아가 광자가 실험장치에 진입한 후 선택하여도 선택은 여전히 효과적이다. 연구팀은 휠러의 지연 선택실험을 기반으로 새로운 비국소성 영역 양자 지연 선택실험을 제안 및 시연했다. 실험 과정에서 연구팀은 다른 1쌍의 얽힘 광자를 제어 유닛으로 함과 아울러 해당 얽힘 광자를 이용하여 파동성 및 입자성 사이에서 전환되는 실험 주체 광자를 제어했다. 엄격한 비국소성 영역 양자 제어를 구현하기 위해 제어 유닛을 실험 주체 유닛과 멀리 떨어져 있게 했다. 다시 말해서 "아이슈타인 비국소성" 조건을 만족시켰다. "아이슈타인 비국소성" 조건을 구현하기 위해 공간 및 시간상에서 실험기기에 대한 정밀 제어가 필요하다. 연구팀은 광학기기를 캠퍼스 내의 2개 실험실에 배치했으며 광신호 및 전기신호의 시계열에 대하여 정밀하게 설치했다. 동 실험은 광은 파동성 또는 입자성의 양자중첩 상태로 존재할 수 있음을 입증함과 아울러 해당 파동-입자의 양자중첩 상태에 대한 제어 가능성을 입증했다. 이는 양자광학 및 양자정보처리 연구에 새 방법을 제공했다.

최근, 중국과학원 허페이(合肥)물질과학연구원 안후이(安徽)광학정밀기계연구소 대기과학연구센터(이하 대기과학연구센터로 약칭) 우샤오칭(吳曉慶)/뤄타오(羅濤) 연구팀은 칭하이성(青海省) 다차이단(大柴旦) 지역, 시짱자치구(西藏自治區) 라싸시(拉薩市) 등 지역에서 대기 난류 원위치 탐측 및 난류 대기 관측 등 실험을 동시에 수행하여 성공했다. 대기 중의 에너지와 물질교환, 오염물질 수송 및 확산은 대기 난류와 밀접히 관련된다. 기존에 주로 경계층 및 대류층의 난류 특히 동력 난류를 연구했으며 열력 난류에 관한 연구는 적었다. 그리고 근공간 탐측 수단의 결핍 특히 원위치 탐측 수단의 부족으로 근공간 열력 난류가 물질교환 과정에 미치는 영향에 관한 연구는 매우 부족했다. 이번 비행 실험은 경항공기(Aerostat) 플랫폼에서 최초로 다양한 고도 통제 비행 및 광범위 우회 비행을 시행했다. 총 비행시간은 13시간 8분, 최대 비행 고도는 21,625m이며 21~22Km 고도 수평비행 시간은 10시간 16분, 16~17Km 고도 수평비행 시간은 45분이다. 비행 플랫폼 및 대기 난류 원위치 측정 과학 하중은 계획에 따라 전체 비행 및 실험 항목을 완료했으며 데이터 기록이 완정한바 기대 목표에 도달했다. 이로써 제1단계 실험은 원만하게 성공했다. "훙후 특별프로젝트" 실험에서 대기광학연구센터가 자체로 개발한 근공간 대기 난류 원위치 탐측 설비는 경항공기 플랫폼을 이용함과 아울러 고정밀도 미온 어레이를 통해 성층권의 열력 난류강도, 난류 스펙트럼 및 대기안정도 등 데이터를 측정하여 근공간 대기 열력 난류가 물질교환 과정에 미치는 영향을 연구함으로써 근공간 예보 모델의 개선 등에 핵심 데이터 지원 및 과학적 근거를 제공할 전망이다. 이번 실험은 "훙후 특별프로젝트" 2019년 칭짱고원(青藏高原) 지역 첫 대형 실험이며 향후 2차 비행 실험 및 대지 관측 실험을 수행할 계획이다.

최근, 중국과학원 윈난(雲南)천문대 푸셴후(撫仙湖)태양관측·연구기지 연구팀은 1m 새로운 진공식 태양망원경(1m New Vacuum Solar Telescope, NVST)의 높은 시공간적 해상도 관측 데이터를 이용해 태양물질 유래 및 전송 과정의 중요한 물리적 메커니즘을 규명했다. 해당 성과는 "Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, MNRAS"에 게재됐다. 태양 필라멘트(Solar filament)는 태양 주변 홍염(Prominence)이 태양 표면에 투영되어 형성된 암흑색 가닥이다. 일부 암흑색 가닥은 극성이 상반되는 국지 자기장의 경계선이며 일정한 정도에서 태양 자기장의 복잡한 구조를 반영한다. 해당 암흑색 가닥의 생성, 발달 및 소실은 일정한 규칙성을 갖고 있지만 단시간 내에 돌발적으로 활성화될 가능성도 있고 더 나아가 돌발적으로 소실될 수도 있다. 태양 필라멘트는 태양 표면에서 가장 선명한 태양활동 현상이다. 태양 암흑색 가닥의 형성 과정은 주로 자기장 구조의 형성 과정 및 암흑색 가닥 물질 유래 등 2개 방면으로 나눌 수 있다. 자기장 구조 형성에 대하여 이미 수많은 연구를 수행했지만 암흑색 가닥 물질 유래에 관한 연구는 비교적 적다. 특히 높은 시공간적 해상도 망원경을 이용한 관측 연구는 매우 적다. 이는 주로 암흑색 가닥 형성 과정이 비교적 느리고 완정한 암흑색 가닥 물질 주입을 관측하기 매우 어렵기 때문이다. 연구팀은 태양 암흑색 가닥 형성 활발 지역 NOAA 11903 중 모 1개 암흑색 가닥의 완정한 형성 과정을 연구했다. 결과, 저온 물질은 암흑색 가닥 남쪽 부분 정점(Station point)에서 분출되어 암흑색 가닥에 주입됨과 아울러 분출 위치에 자기장이 형성되며 또한 저온 분출은 저온 물질을 암흑색 가닥 높이로 끌어올림과 아울러 암흑색 가닥에 물질을 제공함을 발견했다. 이로부터 태양 저층의 소규모 폭발은 암흑색 가닥의 형성에 충분한 물질을 제공함을 추정할 수 있다. 연구팀은 또한 플럭스 발생(Flux emergence)에서 생성된 에너지와 저온 물질의 상승에 수요되는 에너지의 추산 비교를 통해 플럭스 발생에서 생성된 에너지는 물질의 상승에 수요되는 에너지를 제공할 수 있다는 결론을 얻었다.

최근 중국과학기술대학 판젠웨이(潘建偉) 연구팀과 중국과학원 물리연구소 판헝(範桁) 연구팀은 공동으로 24개 비트를 포함하는 고성능 초전도 양자프로세서를 개발함과 아울러 최초로 고체상태 양자컴퓨팅시스템에서 20비트 이상의 고정밀도 양자결맞음 제어를 구현함으로써 양자컴퓨터 개발에서 중요한 성과를 얻었다. 해당 성과는 "Physical Review Letters"에 게재되었다. 20세기 80년대에 노벨상 수상자 Richard Phillips Feynman 등은 양자중첩 및 양자얽힘 등 2개 기이한 양자특성에 기반한 "양자컴퓨팅" 구축을 제안했다. 제어 가능한 큐비트 수가 증가함에 따라 양자컴퓨팅의 연산능력은 기하급수적으로 상승하면서 전통 전자컴퓨터를 훨씬 초과하는 성능을 달성할 수 있다. 현재 학계는 다양한 기술로드맵으로 양자컴퓨팅을 연구하고 있다. 그중 초전도 양자컴퓨팅은 실용화 가능성이 가장 높은 방안이다. 중국과기대 판젠웨이, 주샤오보(朱曉波), 펑청즈(彭承志) 등 학자는 초전도 양자컴퓨팅 연구에서 일련의 중요한 성과를 얻었다. 2019년만 기존에 달성한 10개 초전도 큐비트 얽힘 기록을 갱신함과 아울러 "양자 랜덤워크(random walk)"도 획기적으로 구현했다. 최근 판젠웨이 연구팀은 중국과학원 물리연구소 판헝 연구팀과 공동으로 시스템 연결성, 판독 효율, 크로스토크 조절 및 정밀도 등 문제와 관련해 반복적인 실험을 통해 칩 구조를 1차원에서 준2차원으로 확장시키는데 성공했다. 또한 24개 비트를 포함하는 고성능 초전도 양자프로세서를 개발함과 아울러 고체상태 양자컴퓨팅시스템에서 "Bose-Hubbard" 사다리 모델 다체 양자시스템에 대한 시뮬레이션을 완성했을 뿐만 아니라 20비트 이상의 고정밀도 양자결맞음 제어도 구현했다. 해당 연구는 초전도 양자칩을 양자시뮬레이션플랫폼으로 선정함에 있어 강한 응용잠재력을 보여주었고, 다중 큐비트시스템을 이용한 다체 물리시스템 연구에 기반을 마련했다.

최근, 중국해양대학 구융젠(顧永建) "해양 양자 기술" 연구팀은 토머스 영의 이중 슬릿 실험에서 경로 측정을 도입할 경우 데이비드 봄(David Bohm)의 양자이론에 효과적인 방법을 제공함으로써 실험적으로 광자의 "궤적"을 검증할 수 있음을 발견했다. 해당 발견은 양자역학 기본 문제 연구에 중요한 역할을 일으킴과 아울러 파동-입자 이중성 및 상보성 원리에 대한 이해에 도움이 된다. 해당 연구성과는 "Science" 자매지인 "Science Advances"에 게재됐다. 물리학의 고전적 실험인 토머스 영의 이중 슬릿 실험에서 광자 경로 측정으로 해당 광자가 구체적으로 어느 슬릿을 통과하는 지를 식별할 경우 필연적으로 간섭무늬 가시성을 파괴시킨다. 해당 측정 과정에서 간섭무늬 가시성과 광자의 운동량 변화 사이의 관계에 대한 학술계의 관점은 다양하다. 그 주요 원인은 다양한 운동량 변화량 정의를 사용했기 때문이다. 해당 문제를 심층적으로 연구하려면 더욱 보편적인 방법을 찾아 광자의 운동량 변화를 정량화해야 한다. 데이비드 봄의 양자역학은 해당 문제를 해결하는 효과적인 방법을 제공한다. 데이비드 봄의 양자이론에 의하면 입자는 임의적 시각(Time)에 모두 명확한 위치 및 운동량을 보유하고 있으며 또한 한 가닥의 확정된 궤도에 따라 진화된다고 주장한다. 따라서 입자의 초기 상태가 운동량의 고유 상태가 아닌 상황에서도 입자의 운동량 변화량을 계산할 수 있다. 또한 광자의 평균 궤적을 실험적 약한 측정(Weak measurement) 방법으로 재구성할 수 있다. 데이비드 봄의 양자이론을 기반으로 하고 약한 측정 기술을 이용해 샤오야(肖芽) 연구팀은 전단계에 토머스 영의 이중 슬릿 간섭 장치에서 광자 궤적의 비국소성 영역 유도[Optics Express 25, 14463-14472(2017)]를 달성했다. 해당 논문에서 광자의 궤적을 8.6m 밖으로 심층적으로 재구성했다. 다음으로 오스트레일리아 Howard M. Wiseman가 제안한 데이비드 봄의 운동량 확률 분포를 이용해 경로 탐측 과정 중 양자의 운동량 변화량을 정량화했다. 경로가 있는 조건과 없는 조건에서 측정한 광자 운동량의 비교를 통해 연구팀은 광자의 총운동량 변화량 절댓값은 근거리장에서 매우 작지만 전파 거리의 증가에 따라 증가됨을 관측했는데 이는 운동량의 비국소성 영역에서 누적 과정을 의미한다. 원거리장 조건에서 연구팀은 광자 운동량 변화량 절댓값과 간섭무늬 가시성 사이의 정량화 관계를 심층적으로 입증했다. 실험 결과는 운동량 변화량의 증가에 따라 간섭무늬 가시성은 감소됨을 의미한다.

최근 중국항천과공그룹(CASIC) 제2연구원 207연구소 연구팀은 테라헤르츠 시간 영역 광스펙트럼 시스템 쾌속 스캐닝 모듈을 개발해 광스펙트럼 스캔 속도를 대폭 향상시킬 전망이다. 음성 코일 모터(voice coil motor) 기반 시간 지연선(Delay line)과 고속 데이터 수집시스템으로 구성된 해당 모듈은 1회 파형(100ps) 스캔 시간을 기존의 15분에서 0.25초로 단축 가능하며 샘플링률을 4헤르츠에 도달시킬 수 있다. 테라헤르츠 시간 영역 광스펙트럼 기술은 근년에 개발된 테라헤르츠 주파수대 광스펙트럼 측정 기술이다. 2003년에 컬럼비아 우주왕복선은 외부 연료탱크의 폼단열층 탈락으로 폭발되었다. 해당 사고 조사시 테라헤르츠 시간 영역 광스펙트럼 기술로 연료탱크 단열폼의 내장결함을 성공적으로 검출해 동일 유형 탐측에서 가장 효과적인 방법으로 간주되고 있다. 테라헤르츠는 대부분 비금속, 비극성재료에 대해 양호한 투과력을 보유한다. 미국은 테라헤르츠 시간 영역 광스펙트럼 시스템으로 F-35 전투기의 특수 코팅층을 검사하기도 했다. 해당 기술은 코팅층을 쉽게 투과할 수 있을 뿐더러 코팅층의 두께도 측정할 수 있기에 제조 및 유지보수 효율을 대폭 향상시킬 수 있다. 많은 대분자의 회전, 진동 에너지 준위 모두 테라헤르츠 주파수대에 위치하므로 테라헤르츠 시간 영역 광스펙트럼 기술은 민간 영역에서 매우 광범위하게 응용되고 있다. 예를 들어 동 기술로 마약, 폭발물의 종류를 효과적으로 식별할 수 있는데 흔히 볼 수 있는 첨가물이 혼합돼 있더라도 검사 결과에 영향이 없다. 이외 해당 기술은 재료 브로드밴드 투사, 산란 특성 측정은 물론 재료 브로드밴드 전자기 파라미터도 획득할 수 있어 테라헤르츠 주파수대 재료특성 연구에 이용 가능하다. 하지만 광스펙트럼 스캔 속도가 해당 기술의 보급 및 응용을 일정 정도 제한하고 있다. 특히 중국의 관련 업체에 있어 어떻게 광스펙트럼 스캔 속도를 향상시킴과 더불어 시스템의 신호대잡음비 무손실을 보장할지가 기술적 어려움이다. 207연구소는 이번에 개발한 쾌속 스캐닝 모듈을 테라헤르츠 재료 파라미터 측정시스템 및 테라헤르츠 주파수대 레이더 산란 단면적 측정시스템에 응용해 데이터 실시간 획득능력을 높이는 등 해당 기술의 응용폭을 넓힐 예정이다.

최근, 중난(中南)대학 류민(劉敏) 연구팀은 캐나다 Edward Sargent 연구팀, 중국 타이완(臺灣)과기대 황빙자오(黃炳照) 연구팀 등은 공동으로 금속 퀀텀닷(Quantum dot)에서 이산화탄소를 최초로 “포획”함으로써 이산화탄소 환원 효율을 200% 이상 향상시켜 탄소순환 이용 효율을 대폭 제고했다. 해당 연구성과는 “Joule”에 게재됐다. 전기화학적 환원을 이용해 온화한 제어조건에서 이산화탄소를 유용한 탄화수소 연료 및 화학용품으로 환원시킬 수 있다. 이는 대기 중의 이산화탄소를 “포획”하고 이산화탄소 순환이용을 달성하는 효과적인 경로이다. 하지만 촉매 선택이 어려움으로 되고 있다. “퀀텀닷”이라고 불리는 중요한 저차원 반도체 재료에는 대량의 광전기 성능 하강을 유발하는 “결함 위치”를 함유하고 있다. 해당 “결함”은 촉매 활성을 개선시킬 수 있다. 하지만 해당 특성은 일반 금속 촉매에 이용되기 어렵다. 공동 연구팀은 황화물 퀀텀닷 원위치 전기화학적 환원을 통해 고배율 금속 공격자점(Vacancy) 퀀텀닷의 제조를 달성함과 아울러 이산화탄소 환원 분야에 응용했다. 해당 퀀텀닷에서 유도된 촉매는 3~5nm의 크기를 유지하지만 금속 공격자점을 최대로 20% 보유하며 또한 금속 퀀텀닷에서 양호한 원자급 분산을 나타낸다. 따라서 이산화탄소 환원반응에 적합한 원자구조 및 전자구조를 제공할 수 있다. 수백 시간의 이산화탄소 환원 반응 과정에서 해당 촉매는 양호한 촉매 활성을 유지하며 성능은 기존 촉매의 2배 이상 초과했다. 검증 결과, 해당 종류의 촉매는 금, 은, 구리, 납 등 다양한 금속에 양호한 적합성을 나타냄으로써 이산화탄소 순환이용에 잠재적 응용을 가져다줄 전망이다.

최근 중국과학기술대학 위수훙(俞書宏)/가오민루이(高敏銳) 연구팀은 전통프러시안블루(PBA) 재료에 대한 질소가스 플라스마 충격(Plasma bombardment)을 통해 시안기 공석을 풍부히 함유한 고효율 산소발생반응 촉매를 성공적으로 개발했다. 해당 시안기 공석은 PBA 재료의 국지 전자구조 및 금속 배위환경을 조절할 수 있을 뿐만 아니라 전기순환 과정에서 철 활성종의 유실을 고효율적으로 억제할 수 있다. 해당 연구성과는 “Nature Communications”에 게재되었다. 산소발생반응(OER)은 광/전기 가수분해, 금속공기전지 등 신에너지 저장 및 전환장치의 핵심 반쪽반응(half reaction)이다. 저렴하고 고효율적인 산소발생반응 전기촉매의 개발은 전극 과전위를 더한층 낮추고 장치 에너지 효율을 향상시킬 수 있는 주요 경로이다. 재료결함공학은 촉매의 전기음성도, 전하분포 및 배위환경 등 조절이 가능해 촉매 성능을 효과적으로 향상시킬 수 있는 전략으로 여겨지고 있다. 신형의 결함구조 설계 및 새 활성배위 형식 도출을 통해 기존 촉매재료의 촉매성능을 더한층 최적화할 수 있다. 연구팀은 몰리브덴산니켈 나노막대를 템플릿으로 하여 다공성 니켈-철 기반 PBA재료를 제조했다. 그 다음 해당 재료에 대한 질소가스 플라스마 충격을 통해 시안기 공석을 풍부히 함유한 PBA 촉매를 획득했다. 연구팀은 고해상도 투과전자현미경, 양전자 소멸기술, 원소 함량분석, 배기가스 흡수검사 등 다양한 특성화 수단을 통해 해당 신형 시안기 공석의 형성을 확인했다. 전기화학적 테스트 결과, 60분 동안 질소가스 플라스마 충격을 거친 PBA 샘플은 최상의 산소발생반응 활성을 나타냈는데 이는 기타 고효율 산소발생반응 촉매에 비해 훨씬 우수했다. 구조 분석 결과, 높은 산소발생반응 활성은 시안기 공석이 유도 발생한 불포화 니켈-철 부위에서 비롯되었다. 심층 연구를 통해 시안기 공석을 함유하지 않는 PBA 재료의 철 활성종은 점차 전해액에 용해되며 반대로 시안기 공석을 함유한 PBA 재료는 철 활성종의 유실을 대폭 억제함으로써 산소발생반응 순환과정에서 높은 활성의 표면 활성층을 자가 재구성적으로 형성해 우수한 OER 활성 및 안정성을 보유함을 발견했다. 해당 성과는 높은 활성의 니켈-철 수산화물 제조에 새 전략, 새 결함유형 개발에 새 참고정보, 보다 고효율적인 산소발생반응 촉매 설계에 참신한 아이디어를 제공했다.

최근, 중국과학원 허페이(合肥)지능기계연구소 지능마이크로나노소자 연구팀은 고효율 비색 형광나노탐침을 제조했다. 해당 탐침을 기반으로 제조한 형광 시험지의 색상 변화를 근거로 수중 납이온 함량을 신속하게 예비 판단할 수 있다. 해당 연구성과는 “Analytical Chemistry”에 게재됐다. 전통적인 검출 방법으로 수중 납이온의 함량에 대한 정밀 및 선택성 분석을 수행할 경우 기기 가격이 비싸고 검출 주기가 길 뿐만 아니라 전문 인력을 필요로 하기에 현장 검출에서의 응용을 제한한다. 연구팀은 청색 및 적색 탄소점(Carbon spot)을 적합한 비율로 혼합하여 새로운 비색 형광탐침을 개발했다. 해당 탐침으로 제조한 형광 시험지로 액체 중 납이온을 검출할 수 있다. 액체에 납이온이 존재할 경우 청색 탄소점 형광은 소실되지만 적색 형광은 변화되지 않으며 자외선 램프(Ultraviolet lamp)로 조사하는 조건에서 뚜렷한 청색에서 적색으로의 색상 변화를 관찰할 수 있다. 시험지의 색상 값과 색상코드표 또는 핸드폰의 색상 식별 소프트웨어와 비교하여 현장에서 납이온 함량에 대한 시각화, 실시간, 반정량화 검출을 달성할 수 있다. 해당 형광 시험지는 저독성 탄소점으로 제조했기에 친환경적일 뿐만 아니라 저장, 휴대가 편리하고 사용 방법이 간단하며 5분 내에 수중 납이온을 신속 검출할 수 있다.