荧光碳量子点的合成与生物成像应用及生物安全性研究进展

荧光探针在生命科学领域被广泛应用于生物成像领域.随着纳米技术的迅速发展,一些新类型的纳米荧光探针应运而生.荧光碳量子点(carbon dots)以其良好的生物相容性、优异的的抗光漂白能力、长荧光寿命和宽荧光光谱区域,在生物成像方面有广泛的应用前景.重点关注近年来碳量子点在合成、生物成像以及生物安全性方面的进展,对开发成更安全和更灵敏的碳量子点探针进行了探讨.     

压缩感知在宽带雷达信号处理中的应用

高分辨雷达成像系统在当今的军事和民用方面都有着广泛的需求,高分辨率成像需要发射宽带的雷达信号,然而根据奈奎斯特采样定理,信号带宽的增加又使得雷达系统面临高采样率、高传输率、大数据量存储以及信号实时快速处理等问题.压缩感知(CS)理论通过构造非相关测量矩阵,以远低于奈奎斯特采样率的速率获得一组测量值,通过重构算法对信号进行精确的重构.压缩感知理论应用的前提是信号的稀疏性,关键是测量矩阵和稀疏度之间的关系,重要支撑是重构算法.本文对压缩感知原理进行了简要介绍并针对雷达常用的线性调频信号提出一种稀疏基构造方案.同时,利用matlab构造了线性调频信号模型并对压缩感知处理线性调频信号的采样重建过程及应用于二维成像的过程进行了仿真.本文也研究了不同重建算法并进行了各个算法间的效果比较.仿真结果表明,在宽带雷达回波信号的处理过程中,压缩感知能通过降低采样率有效缓解回波数据的存储和传输的压力,这一点在宽带雷达目标检测中应用前景广阔.     

核磁共振中分子间多量子相干及其应用

源自核自旋远程偶极相互作用的分子间多量子相干(iMQC)以其独特的性质在核磁共振领域引起了广泛的关注.与常规的单量子相干信号相比,iMQC信号具有下列特性:iMQC信号与实验可控的偶极相关距离为半径的空间区域内的自旋粒子数相关;iMQC信号与局域磁场分布或局域磁化率效应相关;iMQC信号具有独特的弛豫和扩散特性.这些性质使iMQC在核磁共振波谱和成像领域得到了广泛的应用.本文简要介绍了iMQC现象的研究历史以及相应的理论解释,对我们小组这10几年来在iMQC领域的研究进行了系统的阐述,包括对iMQC性质的研究及其在不均匀不稳定场中高分辨核磁共振谱和成像方面的应用研究.     

Chirp Scaling成像算法及其仿真

高分辨率是机载合成孔径雷达的一个重要发展方向。文章以高分辨率聚束模式合成孔径雷达的ChirpScaling成像算法(CSA)为主,讨论了CS算法的基本原理和实现过程,给出了计算过程中各个信号域的数学表达式,简要地介绍了CS算法的优缺点及其应用范围,最后给出了点目标仿真的系统参数和成像结果。     

基于系统矩阵优化的二维磁性粒子成像研究

磁性粒子成像(MPI)是一种新型高分辨率成像技术,利用磁性粒子在交变磁场中的非线性响应构建系统矩阵进而重建磁性纳米粒子的浓度分布,提高重建速度并降低存储空间需求和计算复杂度是实现实时成像的关键.本文将磁性粒子的非线性磁化响应特征与电磁感应定律相结合获取检测点电压信号,进一步考虑接受线圈的灵敏度可得电压信号与磁性粒子浓度的关系,利用傅里叶变换及频域矩阵展开分析了影响系统矩阵的因素,系统分析了系统矩阵频率分量的选取以及不同接收方向对重建图像的影响.结果表明,通过选取高频段信号可以优化系统矩阵分量的空间结构;通过增加频率分量可以构建线性无关方程组,使方程的解唯一化,提高重建精度和质量;通过不同接收方向系统矩阵的重组,使系统矩阵拥有更丰富的空间结构,进而提高浓度分布重建图像的质量.本研究对MPI技术进行磁性纳米粒子浓度重建起到了重要的指导作用,在新型生物医学成像领域有着广阔的应用前景.     

生物功能化碳量子点制备

为了实现碳量子点在细胞荧光成像方面的应用,采用共价修饰的方法对碳量子点进行生物功能化.采用水热法,以柠檬酸为碳源,乙二胺为钝化剂合成了蓝色荧光碳量子点.为了进一步实现碳量子点的共价偶联,对碳量子点进行羧基化处理,然后通过两步功能分子修饰完成生物功能化碳量子点的制备.采用透射电子显微镜、荧光和紫外分光光度计、红外光谱仪、电位粒度分析仪及荧光共聚焦显微镜研究了生物功能化碳量子点的性质和功能.实验结果表明:聚乙二醇(PEG)和核定位肽TAT通过酰胺化反应成功修饰至碳量子点上,叶酸(FA)通过酯化反应成功修饰至PEG末端,两步共价修饰完成了生物功能化碳量子点的制备.该生物功能化碳量子点具有电中性、小尺寸、低毒性和细胞核靶向的功能,适用于细胞荧光成像分析.     

液体NMR中多平板间多量子相干受限扩散的有限差分模拟

由于液体分子自扩散参与了几乎所有的化学反应,且核磁共振(NMR)是当前唯一可用于提供关于分子在一个相当于生物细胞尺度单元内的位移信息的非侵害性方法,扩散相关的NMR研究更是引起了极大的重视.为了研究复杂系统中的多量子相干受限扩散行为,将单一平板间多量子相干受限扩散理论扩展到间距等概率分布和间距正态分布的多平板间多量子相干受限扩散,并利用积算符矩阵、非线性Bloch方程和有限差分相结合的方法进行模拟,得出了多平板间多量子相干受限扩散信号衰减随孔径变化范围、高斯因子的变化规律.模拟结果与理论预测吻合,验证了理论表述的正确性,从而可以通过回波信号衰减曲线形状了解样品中平板间距大致的变化范围和分布规律.本研究可扩展到各种复杂的脉冲序列及多自旋体系.     

基于光场调控与量子关联成像的人脸识别技术

<正>模式识别在信息安全等领域具有重要的应用前景.与传统的计算匹配识别方法相比,基于光学手段的模式识别技术具有并行高效的特点.尤其是量子关联成像,近年来在量子力学基本问题检验、无损生物成像和高信噪比量子成像等应用方面都展现出了诸多诱人的前景,已成为当前物理学的研究热点之一~([1]).2019年3月26日,厦门大学物理科学与技术学院陈理想教授课题组在《Physical Review Letters》上发     

量子成像及其发展与应用

量子成像是基于量子涨落的非局域成像技术,亦称"鬼成像",与传统成像相比,其具有非局域成像、单像素成像、无透镜成像等诸多优点,在高分辨率成像、非相干成像、恶劣条件下成像等方面具有广阔的应用前景。量子成像不限定成像光源必须是纠缠光源,可模拟纠缠光源的角度和空间关联特性的经典光源同样可以实现"量子"成像。量子成像通过两路探测器的符合关联实现最终成像,虽然计算鬼成像(GI)只使用一路单像素桶探测器就完成了量子成像,但其本质上仍是通过桶探测器与SLM之间的符合关联才实现最终成像的。目前,量子成像由于不能记录光源的瞬时强度且成像时间较长,还主要停留在理论实验阶段,距离实际应用尚有较大差距。     

合成孔径雷达定点CS算法量化噪声分析

为了实现星载合成孔径雷达(synthetic apertureradar,SAR)成像处理器小型化和实时信号处理,该文重点研究定点运算和有限字长存储引入的量化噪声。根据chirpscaling (CS)成像算法,建立了CS算法定点运算的量化误差模型,分析了处理流程中的量化噪声,推导了系统输出噪信比与系统字长、FFT长度等参数之间的关系。采用不同系统字长对Radarsat-I数据成像,图像质量分析与所述理论一致,结果表明:通过计算处理流程的噪信比,可实现定点SAR成像处理器系统字长等关键参数的设计。     

一种分布式阵列无模糊波达方向估计方法

为解决分布式阵列应用常规算法估计波达方向(DOA)时出现的角度模糊问题,提出一种基于压缩感知(CS)理论的无模糊DOA估计方法.利用新方法对分布式阵列的接收信号分别通过直接采样和随机矩阵两种压缩采样方式进行二次采样,将接收信号转换为CS理论所需的随机观测数据,并利用CS重构算法将目标DOA信息从观测数据中高概率、无模糊地获取.将新方法与多重信号分类法(MUSIC)和旋转不变子空间算法(ESPRIT)等经典常规DOA估计算法的运算量进行了详细对比,指出新方法的运算量更小.通过与现有分布式DOA估计方法的仿真实验对比,验证了新方法的有效性,并分析分布式阵列接收阵元数的改变对新方法 DOA估计精度的影响.     

反事实量子调控研究进展

随着时代的进步发展,量子科学技术在国家安全,社会经济高质量发展中的重要性逐渐显露.如何操控量子态来储存、传递和处理信息一直是量子计算、量子通讯等量子信息科学研究中的关键性问题.有别于传统认知,量子系统允许某些在经典世界中不存在的控制方式,反事实量子调控便是其一.作为一种非局域的量子调控方式,在反事实量子调控的过程中,没有任何实际物质粒子、能量在调控方和被调控方之间输运交换.通过对反事实量子调控的研究,人们不仅深入理解了非局域量子现象,也发现了其在样本无伤成像和隐身探测技术等应用上的重大潜在价值.本工作介绍了反事实量子调控的基本概念,回顾了相应的理论证明,也对相关的实验验证、非局域性研究以及应用性探索做了阐述.     

太赫兹单光子探测器

太赫兹波探测技术在天文、国防、安检以及生物等领域发挥着越来越重要的作用.随着技术的发展,太赫兹探测器的灵敏度在不断提高,目前已经发展到单光子探测水平.在太赫兹频段,由于光子能量低,传输损耗较大,太赫兹单光子探测器的研制开发面临极大的技术挑战.本文首先介绍了太赫兹单光子探测器的基本原理、主要指标和测试系统并提出了实现太赫兹单光子探测的基本要求.然后,介绍了几种常见的太赫兹单光子探测器,包括半导体量子点探测器、量子阱探测器以及超导量子电容探测器,并对这些器件的发展历史、工作原理和性能指标进行了概述.半导体量子点探测器以及量子阱探测器可以实现10-21W/Hz1/2量级的噪声等效功率,并且具有很大的电流响应以及动态范围,但是其量子效率较低.超导量子电容探测器目前已实现1.5 THz的单光子探测,其噪声等效功率优于10~(-20)W/Hz~(1/2)并且探测效率可达90%.此外,纳米测热辐射计等太赫兹探测器也展现了太赫兹单光子探测的前景,本文对其工作原理和发展现状进行了介绍.结合目前国际上的重大研究项目以及报道的应用实例分析了太赫兹单光子探测器在太赫兹成像、天文观测、量子信息等领域的应用前景,阐述了太赫兹单光子探测器在这些应用中的优势.最后,对太赫兹单光子探测器的性能指标进行了总结并对未来的发展趋势进行了展望.     

小型化量子重力仪高精度重力测量

重力场是地球的一个基本物理场,它携带和反映了地球的诸多信息,对基础研究和实际应用都非常重要.由于地球重力场是随空间、时间变化的,需要可移动的高精度重力仪进行测量.量子重力仪是近年发展起来的一种基于原子干涉的新型高精度重力测量设备.和传统重力仪相比,量子重力仪具有更好的稳定性和准确性,可以精密地勘测地球的重力场分布.本文对量子重力仪的基本原理、实验及其应用进行了综述,主要包括国内外小型化量子重力仪方面的最新研究成果;介绍了小型化量子重力仪的基本原理、小型化量子仪核心单元(真空系统、光路系统、隔振系统和野外测量保障系统)的研制以及在重力比对、地震监测和重力场测绘等领域的应用.最后,本文介绍了量子重力仪的精度限制因素(拉曼相位噪声、振动噪声和探测噪声)以及在其他基础物理研究领域(万有引力常数测量和弱等效原理检验)的应用.量子重力仪作为量子传感器中较为成熟的技术,尤其在动态测量方面表现出明显的优势.未来,随着量子重力仪的不断发展,还可能在地球物理、资源探勘、惯性导航和太空重力观测等领域发挥重要作用.     

量子算法及其在图像处理中的应用

量子计算与量子信息是涉及物理学、计算机科学、数学以及信息科学等多个学科的新兴综合性交叉研究领域,是量子力学理论和经典计算理论完美结合的产物.由于其强大的计算能力及广阔的应用前景,使得其在国际学术界以及政府科研机构中引起巨大的兴趣.在量子计算的研究中,计算性能的优越性主要体现在算法的有效性上.目前为止,被公认的最具代表性的量子算法有Shor的大数质因子分解算法以及Grover提出的数据库搜索量子算法.集合运算是科学技术很多领域的基础,如数据库操作、信号处理、图像压缩等等都可最终归结为对集合的操作.但是对于包含了高维无序向量的集合,要对其进行有效快速的集合运算,在经典电子计算机上是困难的.因此,需要新的原理和新的算法来有效操作集合.量子图像处理(QIP)就是利用量子计算机来处理图像信息从而希望获得比电子计算机更好的处理效果.量子图像处理研究才刚刚起步,在不久的将来可能会成为一个受关注的研究热点.对目前的量子算法研究进展、量子集合运算、量子图像处理以及量子Hopfield神经网络研究作一个综述性论述.     

一维光子晶体的量子透射率

在光的量子波动方程的基础上提出了研究一维光子晶体的量子理论方法,通过在两介质分界面上波函数及其波函数导数连续,即可得到一维光子晶体的量子变换矩阵、量子透射率和量子反射率,分别计算了无缺陷层介质和有缺陷层介质时的量子透射率和量子反射率.把量子理论方法与经典电磁理论方法计算结果进行了比较,发现两者的计算结果是一致的.这说明该量子理论方法也是研究光子晶体的正确方法,该方法还可以进一步研究二维和三维光子晶体的透射特性以及光子晶体的量子Zak相、量子拓扑特性,这些特性包括量子陈数、边缘态和光子的量子霍尔效应等.     

基于Spark的合成孔径雷达压缩感知分布式成像

压缩感知(compressive sensing,CS)方法在合成孔径雷达(synthetic aperture radar,SAR)成像中应用广泛,但其存在计算时间长和计算能力扩展性不足等问题.为了解决上述问题,提出了一种基于Apache Spark的SAR压缩感知成像分布式成像方法.该方法首先将压缩后的数据沿方位角...     

矩阵分解理论在降维中的应用

本文主要介绍矩阵论中的矩阵分解在计算机人工智能中的降维中的应用.从矩阵的奇异值分解和张量的高阶奇异值分解两个方面,结合张量子空间分析(TSA)和张量邻域保持嵌入(TNPE)两个算法,研究矩阵分解理论与降维的结合及应用原理.     

能量转换量子系统的热力学特性及其研究进展

量子物理是理解微观粒子运动规律的现代物理学理论.它与信息、生命以及化学等学科相互联系日益紧密,引发了许多新技术革命,深刻影响着人类的生活,已成为社会经济发展的原动力之一.当前,量子物理和能源科学结合,正在产生新的学科生长点.本文主要概述多种类型能量转换量子系统的发展;结合国内外的研究现状,系统地阐明如何应用热力学理论研究量子体系的能量操控以及微观器件的优化设计;总结量子热力学循环、能量选择量子电子器件、量子点热管理器件等在理论和实验方面研究的代表性成果和进展;展望量子物理与能源科学交叉领域发展的新方向.     

碳点的制备及其生物成像与生物检测应用

碳点(CDs)作为一种新的含碳荧光纳米粒子,由于其良好的生物相容性引起了广泛的关注。碳点不仅被用于生物成像探针,还被用来作为生物传感探针。目前,碳点的合成、结构与性质、荧光机理以及对生物相容性和生物应用的评价等方面都有了很大的进展。从碳点的合成方法、荧光性质以及在生物成像和生物检测应用方面进行了概述,重点阐述了碳点用于荧光比率传感的设计与构建,并对碳点研究的发展方向和应用前景进行了评述与展望。