我國首次實(shí)現(xiàn)保真度超99.99%原子量子態(tài)操控

我國科研團(tuán)隊(duì)在國際上首次實(shí)現(xiàn)了保真度超過99.99%、錯(cuò)誤率低于0.01%的原子量子態(tài)操控，突破了中性原子量子計(jì)算的一個(gè)重要障礙。相關(guān)研究成果已發(fā)表于國際權(quán)威期刊《物理評(píng)論快報(bào)》。

該科研團(tuán)隊(duì)利用魔幻光強(qiáng)技術(shù)構(gòu)造了高品質(zhì)的中性原子量子寄存器，并在該新型量子寄存器中實(shí)現(xiàn)了目前國際最高精度的全局單比特量子邏輯門。該操控精度超過了國際公認(rèn)的容錯(cuò)量子計(jì)算所要求的量子邏輯門的保真度閾值（99.99%），即錯(cuò)誤率低于0.01%。

據(jù)介紹，中性原子體系作為量子計(jì)算的候選體系之一，與超導(dǎo)、半導(dǎo)體等候選體系相比具有良好的可擴(kuò)展性、較長的相干時(shí)間、可控的原子間相互作用等優(yōu)勢(shì)。在此前的實(shí)驗(yàn)研究中，國際上眾多研究組將激光成功地調(diào)制為光阱或者光阱陣列，對(duì)中性原子進(jìn)行量子操控。但這些方案都會(huì)對(duì)原子量子比特能級(jí)產(chǎn)生較大的擾動(dòng)，使得單量子邏輯門操作保真度遠(yuǎn)低于量子糾錯(cuò)的保真度閾值。該問題也成為基于中性原子搭建實(shí)用型量子計(jì)算機(jī)的三大障礙之一。

我國科研團(tuán)隊(duì)此前通過對(duì)光和原子相互作用的研究，發(fā)展了魔幻光強(qiáng)原子囚禁技術(shù)，該技術(shù)能夠有效地降低光阱對(duì)原子能級(jí)的擾動(dòng)。他們進(jìn)一步地發(fā)揮該技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，巧妙地構(gòu)建了一個(gè)由4×4的魔幻光阱陣列構(gòu)成的量子寄存器。在該寄存器中，實(shí)現(xiàn)了平均保真度高達(dá)99.995%的全局單比特量子邏輯門。

該研究成果是該團(tuán)隊(duì)發(fā)展的魔幻光強(qiáng)囚禁原子與量子態(tài)精密操控技術(shù)在高保真全局單比特量子邏輯門的成功應(yīng)用。這項(xiàng)工作推動(dòng)了中性原子量子計(jì)算的發(fā)展，為下一步構(gòu)造可擴(kuò)展的中性原子量子信息處理技術(shù)奠定了基礎(chǔ)。

自然指數(shù)表明：中國在化學(xué)領(lǐng)域最具實(shí)力

12月13日出版的《自然》增刊“2018自然指數(shù)——聚焦中國”顯示，2012年至2017年中國對(duì)自然指數(shù)的貢獻(xiàn)增長了75%，增幅顯著超出多個(gè)排名領(lǐng)先的國家，如美國、德國、英國和日本。中國在自然指數(shù)中所占的全球科研產(chǎn)出份額也由9%上升到16%。

自然指數(shù)表明：中國在化學(xué)領(lǐng)域最具實(shí)力。

自然指數(shù)表明，中國最具實(shí)力的學(xué)科領(lǐng)域?yàn)榛瘜W(xué)，中國所有的自然指數(shù)論文中有二分之一涉及化學(xué)。從2012年到2017年，中國在自然指數(shù)中的化學(xué)論文產(chǎn)出增長了84%，位列全球第二，居美國之后。在天文學(xué)和太空研究方面，中國已超過英國成為全球第二大論文產(chǎn)出國，也僅次于美國。

根據(jù)2015年到2017年的科研產(chǎn)出情況，本期增刊還列出自然指數(shù)中國十大科研機(jī)構(gòu)為北京大學(xué)、清華大學(xué)、南京大學(xué)、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)、浙江大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)、中國科學(xué)院大學(xué)、中國科學(xué)院化學(xué)研究所、南開大學(xué)和蘇州大學(xué)。

自然指數(shù)還顯示中國科研人員的國際科研合作在不斷增多，中國2015年到2017年的自然指數(shù)論文中有將近二分之一是國際科研合作的結(jié)果，這個(gè)比例與美國大致相同。這種國際科研合作在中國科學(xué)院、北京大學(xué)和清華大學(xué)尤為普遍。

但是，增刊也顯示中國在科研質(zhì)量和效率方面尚需持久的改善。雖然中國在自然指數(shù)中的總產(chǎn)出居第二位，但是如果以Dimensions數(shù)據(jù)庫中的總產(chǎn)出和研發(fā)支出總額分別為基準(zhǔn)進(jìn)行歸一化計(jì)算后衡量，中國在領(lǐng)先國家中的排名則不居于前列。

自然指數(shù)主編C atherine Armitage說：“中國的崛起書寫了21世紀(jì)的科學(xué)發(fā)展篇章。因此今年有消息說中國的科研論文產(chǎn)出在2016年已超過美國成為世界第一并不令人意外。不過，盡管2012年以來中國在自然指數(shù)中的總產(chǎn)出增長了75%，但仍居第二位，距美國還有相當(dāng)?shù)木嚯x，這表明中國在科研質(zhì)量方面還需繼續(xù)前行。”

我國內(nèi)源磷富營養(yǎng)化水體生態(tài)修復(fù)技術(shù)取得突破

我國在內(nèi)源磷富營養(yǎng)化水體生態(tài)修復(fù)技術(shù)方面取得重要突破，由我國科學(xué)家研發(fā)出的一種基于改性粘土礦物材料與水生植物協(xié)同的沉積物磷原位控制技術(shù)，可有效解決內(nèi)源磷水體富營養(yǎng)化問題。

根據(jù)西湖內(nèi)源沉積物磷特性，將改性粘土礦物原位控制沉積物磷工藝與沉水植物修復(fù)技術(shù)相結(jié)合，科學(xué)家研發(fā)出基于改性粘土礦物材料與水生植物協(xié)同的沉積物磷原位控制技術(shù)。

目前，這一技術(shù)已成功應(yīng)用于國家水專項(xiàng)西湖課題生態(tài)修復(fù)示范工程，實(shí)現(xiàn)了西湖沉積物高效脫磷。相關(guān)研究成果已分別發(fā)表于《總體環(huán)境科學(xué)期刊》《環(huán)境污染》《科學(xué)報(bào)告》等環(huán)境領(lǐng)域國際權(quán)威期刊。

據(jù)相關(guān)科研人員介紹，水體富營養(yǎng)化已成為全球性的水環(huán)境問題，磷是導(dǎo)致水體富營養(yǎng)化的關(guān)鍵影響因子之一。內(nèi)源沉積物是湖泊營養(yǎng)物質(zhì)的重要蓄積庫，隨著生態(tài)保護(hù)力度的加大，當(dāng)前外源磷的輸入已逐漸得到有效控制，內(nèi)源磷釋放可能成為富營養(yǎng)化水體生態(tài)修復(fù)的主要障礙。

我國在生物質(zhì)催化轉(zhuǎn)化領(lǐng)域取得重要進(jìn)展

近日，我國科學(xué)家在生物質(zhì)催化轉(zhuǎn)化領(lǐng)域取得重要進(jìn)展。相關(guān)成果“Selective production of phase-separable product from a mixture of biomass-derived aqueous oxygenates”（生物質(zhì)基含氧化合物水溶液選擇性制備相分離產(chǎn)品），發(fā)表在《自然—通訊》（Nature Communications）上。

生物質(zhì)能源的開發(fā)和應(yīng)用，因其可再生性和環(huán)保性一直以來都是研究熱點(diǎn)之一。其中ABE發(fā)酵液以淀粉或纖維素為原料，經(jīng)丙酮丁醇梭菌發(fā)酵得到，是燃料和化學(xué)品的重要來源。ABE發(fā)酵液一般濃度較低，目前其利用方式為通過濃縮、分離等提純過程得到純品丙酮、丁醇及乙醇產(chǎn)物，不可避免地帶來高能耗等問題，限制其廣泛應(yīng)用。因此，ABE發(fā)酵液理想的利用方式是不經(jīng)分離而直接轉(zhuǎn)化制備燃料或化學(xué)品。然而，對(duì)于生物質(zhì)的直接轉(zhuǎn)化而言，實(shí)現(xiàn)同時(shí)兼具高轉(zhuǎn)化效率和產(chǎn)物高選擇性仍面臨巨大挑戰(zhàn)。

我國計(jì)量迎來國際單位制重大變革

科研團(tuán)隊(duì)采用錫摻雜的二氧化鈰催化劑實(shí)現(xiàn)了ABE發(fā)酵液的直接催化轉(zhuǎn)化，碳轉(zhuǎn)化率可達(dá)到70%，主要產(chǎn)物為4-庚酮，其選擇性高達(dá)86%。此外，在以往已報(bào)道的ABE發(fā)酵液轉(zhuǎn)化的催化體系中，人們普遍認(rèn)為水是催化劑的毒化劑，然而，在本工作的催化體系中，水卻參與反應(yīng)，促使目標(biāo)產(chǎn)物4-庚酮的選擇性生成。該過程以ABE水溶液為原料，而產(chǎn)品4-庚酮為油相，因此僅通過簡單的傾倒和蒸餾即可獲得95%純度的4-庚酮。

本項(xiàng)研究將鈰基材料應(yīng)用拓展至復(fù)雜的生物質(zhì)轉(zhuǎn)化體系，耦合生物發(fā)酵與化學(xué)催化過程，實(shí)現(xiàn)單一化學(xué)品的高選擇性制備，既具有科學(xué)研究意義，又具有潛在應(yīng)用前景。

我國計(jì)量迎來國際單位制重大變革

國家市場監(jiān)管總局于12月11日召開了國際單位重大變革新聞發(fā)布會(huì)。隨著國際單位制迎來重大變革，從2019年5月20日起，中國將開始使用新修訂后的國際單位制。屆時(shí)，“千克”不再依賴實(shí)物來體現(xiàn)，計(jì)量將會(huì)更加方便精準(zhǔn)，其誤差將可以忽略不計(jì)。

據(jù)國際計(jì)量局?jǐn)?shù)據(jù)顯示，國際千克原器服役近130年來，其質(zhì)量與各國保存的質(zhì)量基準(zhǔn)、國際計(jì)量局官方作證基準(zhǔn)的一致性出現(xiàn)了約50微克的偏差。但國際千克原器的質(zhì)量是否發(fā)生了變化、具體變化了多少，至今仍是一個(gè)謎。

根據(jù)第26屆國際計(jì)量大會(huì)的決定，到2019年5月20日，“國際千克原器”將正式退役，取代它的將是符號(hào)為h的普朗克常數(shù)。經(jīng)過各國國家計(jì)量院的多年研究，國際測(cè)量體系將有史以來第一次全部建立在不變的自然常數(shù)上。至此，國際計(jì)量單位制的7個(gè)基本單位全部實(shí)現(xiàn)由常數(shù)定義。這是改變國際單位制采用實(shí)物計(jì)量的歷史性變革。

國際單位制的全范圍準(zhǔn)確性，為科學(xué)發(fā)現(xiàn)和技術(shù)創(chuàng)新提供了新的機(jī)遇。得益于更高的測(cè)量準(zhǔn)確度，人們將可以測(cè)量極高、極低溫度的微小變化，從而更加準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)核反應(yīng)堆內(nèi)、航天器表面的溫度變化；在生物醫(yī)藥領(lǐng)域，可以準(zhǔn)確測(cè)量單個(gè)細(xì)胞內(nèi)某種物質(zhì)的含量，并根據(jù)病人的實(shí)際需要，制定更加精確的藥物劑量。