量子前沿

62比特可編程超導(dǎo)量子計(jì)算處理器

中國(guó)科學(xué)院量子信息與量子科技創(chuàng)新研究院（以下簡(jiǎn)稱“量子創(chuàng)新研究院”）潘建偉、朱曉波、彭承志等組成的研究團(tuán)隊(duì)，成功研制了62比特可編程超導(dǎo)量子計(jì)算原型機(jī)“祖沖之號(hào)”，并在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了可編程的二維量子行走。相關(guān)成果發(fā)表于Science?！白鏇_之號(hào)”是目前超導(dǎo)量子比特?cái)?shù)目最多、包含62個(gè)比特的可編程超導(dǎo)量子計(jì)算原型機(jī)，并在該系統(tǒng)上成功進(jìn)行了二維可編程量子行走的演示。研究團(tuán)隊(duì)在二維結(jié)構(gòu)的超導(dǎo)量子比特芯片上，觀察了單粒子及雙粒子激發(fā)情形下的量子行走現(xiàn)象，實(shí)驗(yàn)研究了二維平面上量子信息傳播速度，同時(shí)通過調(diào)制量子比特連接的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的方式構(gòu)建馬赫-曾德爾干涉儀，實(shí)現(xiàn)了可編程的雙粒子量子行走。

二維超導(dǎo)量子比特芯片示意圖，每個(gè)橘色十字代表一個(gè)量子比特。（圖片來源于中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)網(wǎng)站）

準(zhǔn)對(duì)稱群與“量子多體傷痕”現(xiàn)象

中國(guó)科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國(guó)家研究中心凝聚態(tài)理論與材料計(jì)算重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室方辰研究組首次指出了在“多體傷痕”模型中，普遍存在著一種涌現(xiàn)的“準(zhǔn)對(duì)稱性”。相關(guān)成果發(fā)表于Physical Review Letters。準(zhǔn)對(duì)稱性是傷痕空間的對(duì)稱性。與通常的對(duì)稱性一樣，準(zhǔn)對(duì)稱操作也構(gòu)成群結(jié)構(gòu)，稱為準(zhǔn)對(duì)稱群。許多嚴(yán)格多體傷痕模型中的傷痕塔的結(jié)構(gòu)，都可以用某個(gè)準(zhǔn)對(duì)稱群的表示理論來理解。同時(shí)，初態(tài)在傷痕塔中的周期演化，僅僅通過向哈密頓量中增加一個(gè)準(zhǔn)對(duì)稱群的生成元即可實(shí)現(xiàn)。團(tuán)隊(duì)重現(xiàn)了絕大多數(shù)的傷痕塔，并且構(gòu)造了具有SU（3）準(zhǔn)對(duì)稱群等更復(fù)雜結(jié)構(gòu)的新型多體傷痕哈密頓量。

量子梯度算法原理演示

清華大學(xué)龍桂魯教授與國(guó)內(nèi)外合作者完成了量子梯度算法原理演示。相關(guān)成果發(fā)表于Npj Quantum Information。研究團(tuán)隊(duì)利用龍桂魯教授提出的酉算子線性組合（LCU）方法，發(fā)展了量子梯度算法，給出了量子線路表示，將量子態(tài)拷貝數(shù)量從多項(xiàng)式數(shù)目減少為與系統(tǒng)大小無關(guān)的常數(shù)2，大幅度降低了線路的深度，使其量子門操作數(shù)目大幅減少，可在當(dāng)前資源有限的量子處理器上實(shí)現(xiàn)。該研究在四量子比特的核磁共振量子處理器上，實(shí)驗(yàn)演示了優(yōu)化的迭代過程。這一算法可直接用于大數(shù)據(jù)分析中的多維比例縮放問題。

分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)理論研究進(jìn)展

浙江大學(xué)劉釗研究員與合作者以雙層-雙層轉(zhuǎn)角石墨烯為例，探索在摩爾超晶格材料中實(shí)現(xiàn)格點(diǎn)分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)的可能性。相關(guān)成果發(fā)表于Physical Review Letters?？紤]電荷中性點(diǎn)附近帶有非零陳數(shù)的導(dǎo)帶被庫(kù)侖相互作用電子分?jǐn)?shù)填充的情況，通過數(shù)值對(duì)角化系統(tǒng)的微觀哈密頓量，發(fā)現(xiàn)體系的低能能譜和糾纏性質(zhì)在某些填充因子處確實(shí)擁有分?jǐn)?shù)量子霍爾態(tài)的特征。通過調(diào)節(jié)垂直電場(chǎng)強(qiáng)度和轉(zhuǎn)角，可以獲得沒有連續(xù)介質(zhì)對(duì)應(yīng)的高陳數(shù)分?jǐn)?shù)量子霍爾態(tài)。這些分?jǐn)?shù)量子霍爾態(tài)與激發(fā)態(tài)之間的能隙換算成溫度最高可達(dá)10K，遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)二維電子氣中的mK量級(jí)。結(jié)果表明，摩爾超晶格材料是實(shí)現(xiàn)零磁場(chǎng)高溫分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)的理想平臺(tái)。

掃描探針顯微術(shù)領(lǐng)域研究進(jìn)展綜述

北京大學(xué)物理學(xué)院量子材料科學(xué)中心、輕元素先進(jìn)材料研究中心江穎教授聯(lián)合掃描探針顯微術(shù)領(lǐng)域多個(gè)國(guó)家的知名學(xué)者，共同撰寫了題為“Scanning probemicroscopy”（掃描探針顯微術(shù)）的綜述文章。相關(guān)成果發(fā)表于Nature Reviews Methods Primers。掃描探針顯微鏡（Scanning Probe Microscopy,SPM）是納米科技領(lǐng)域最偉大的發(fā)明之一，其利用尖銳的針尖逐點(diǎn)掃描樣品，可在原子/分子/納米尺度上獲取表面的形貌和豐富的物性。SPM已廣泛應(yīng)用于物理學(xué)、化學(xué)、材料科學(xué)和生物學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域，改變了人類對(duì)物質(zhì)的研究范式和基礎(chǔ)認(rèn)知。目前，SPM還存在諸如針尖擾動(dòng)、分辨率等技術(shù)挑戰(zhàn)。

掃描隧道顯微鏡裝置（圖片來源于作者發(fā)表于當(dāng)期Nature Reviews Methods Primers的期刊論文）

硅基半導(dǎo)體量子芯片的自旋調(diào)控研究進(jìn)展

中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)郭光燦院士團(tuán)隊(duì)郭國(guó)平、李海歐等人與中國(guó)科學(xué)院物理研究所張建軍和本源量子計(jì)算有限公司合作，在硅基鍺空穴量子點(diǎn)中實(shí)現(xiàn)朗道g因子張量和自旋軌道耦合場(chǎng)方向的測(cè)量與調(diào)控。相關(guān)成果發(fā)表于Nano Letters。研究人員可以通過改變納米線的生長(zhǎng)方向，使得上述兩種自旋軌道耦合方向相反、大小相等，從而實(shí)現(xiàn)自旋軌道耦合的開關(guān)，當(dāng)體系處于“sweet spot”（自旋軌道耦合完全關(guān)閉）時(shí)，由自旋軌道耦合引起的退相干過程會(huì)被大幅度地抑制，自旋量子比特的退相干時(shí)間會(huì)得到有效延長(zhǎng)。這項(xiàng)研究對(duì)于該體系更好地實(shí)現(xiàn)自旋量子比特操控及尋找馬約拉納費(fèi)米子有著重要的指導(dǎo)意義。

可調(diào)的太赫茲石墨薄膜等離激元

復(fù)旦大學(xué)物理系晏湖根課題組系統(tǒng)研究了石墨薄膜中的太赫茲等離激元，展示了石墨薄膜等離激元兼具金屬的強(qiáng)共振和石墨烯的可調(diào)性兩大優(yōu)點(diǎn)，并通過磁場(chǎng)對(duì)石墨薄膜中兩種載流子對(duì)其等離激元的貢獻(xiàn)予以定量區(qū)分。相關(guān)成果發(fā)表于Physical Review Letters。作為電子集體振蕩行為的量子化，等離激元能夠突破衍射極限將電磁場(chǎng)局域在亞波長(zhǎng)尺度，并且增強(qiáng)特定頻率范圍內(nèi)光與物質(zhì)之間的相互作用。等離激元的應(yīng)用相當(dāng)廣泛，包含傳感器、超材料、光伏器件和輻射調(diào)控等。該研究為石墨等離激元在可調(diào)的太赫茲光電器件中的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)，揭示了溫度、偏壓、磁場(chǎng)，以及超快光學(xué)激發(fā)等潛在手段可以有效調(diào)控基于石墨的等離激元器件。

量子安全的“雙保險(xiǎn)”

中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉、張強(qiáng)團(tuán)隊(duì)與云南大學(xué)、上海交通大學(xué)及科大國(guó)盾量子技術(shù)股份有限公司等單位合作，完成了量子密鑰分發(fā)（QKD）和后量子算法（PQC）的融合應(yīng)用。相關(guān)成果發(fā)表于Npj Quantum Information。研究成果提供了一種新型的QKD的認(rèn)證方案，為提高整個(gè)QKD網(wǎng)絡(luò)的安全性找到了一種有效解決途徑。這種新型安全認(rèn)證方案可以利用PQC簡(jiǎn)化QKD在復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的身份認(rèn)證和密鑰管理，同時(shí)QKD則提供了PQC等公鑰體系無法確保的無條件安全性，兩種技術(shù)結(jié)合，進(jìn)一步保障量子保密通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)安全性，也提高了量子保密通信網(wǎng)絡(luò)的經(jīng)濟(jì)性、便利性，將極大促進(jìn)量子保密通信的應(yīng)用和推廣前景。

古生物研究

漳浦生物群是新生代最豐富的熱帶雨林化石庫(kù)

中國(guó)科學(xué)院南京地質(zhì)古生物研究所王博研究員和史恭樂研究員帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)，于2010年在福建東南沿海漳浦縣佛曇群地層首次發(fā)現(xiàn)了漳浦生物群，其地質(zhì)時(shí)代（約1470萬年前）恰處于中新世氣候適宜期的晚期。近10年來，王博和史恭樂領(lǐng)導(dǎo)的由多個(gè)學(xué)科的30位研究人員組成的聯(lián)合團(tuán)隊(duì)，對(duì)該生物群的多樣性、古生態(tài)和古氣候意義開展了詳細(xì)研究。相關(guān)成果發(fā)表于Science Advances。研究結(jié)果表明，漳浦生物群是一個(gè)物種極其豐富的熱帶季雨林化石庫(kù)，其中漳浦琥珀生物群是世界四大琥珀生物群之一。該研究為我們了解現(xiàn)代亞洲熱帶雨林生態(tài)系統(tǒng)的演化及其如何響應(yīng)未來氣候變暖提供了參考。

漳浦生物群生態(tài)復(fù)原圖（圖片來源于中國(guó)科學(xué)院南京地質(zhì)古生物研究所網(wǎng)站）

漳浦琥珀中代表性昆蟲（圖片來源于中國(guó)科學(xué)院南京地質(zhì)古生物研究所網(wǎng)站）

蓖麻從樹木到作物的起源和馴化歷史

中國(guó)科學(xué)院昆明植物研究所李德銖研究員與國(guó)內(nèi)合作者們揭示了蓖麻的栽培起源、居群分化、群體動(dòng)態(tài)歷史和馴化過程中重要農(nóng)藝性狀形成的分子基礎(chǔ)，研究了蓖麻從多年生樹到單年生油料作物馴化過程中的演化規(guī)律。相關(guān)成果發(fā)表于Genome Biology。通過比較蓖麻和近緣種的基因組發(fā)現(xiàn)，蓖麻和山靛所代表的支系大約在4828萬年前就與大戟科的其他支系發(fā)生了分化。通過對(duì)世界廣泛收集的35個(gè)國(guó)家和地區(qū)的蓖麻種質(zhì)（包括182個(gè)野生蓖麻種質(zhì)和323個(gè)栽培蓖麻種質(zhì)）分析發(fā)現(xiàn)，東非野生蓖麻居群遺傳多樣性比其他地區(qū)栽培或逸生蓖麻的遺傳多樣性高，且和栽培蓖麻在遺傳上發(fā)生明顯的分化，然而栽培蓖麻群體沒有表現(xiàn)出明顯的地理結(jié)構(gòu)。

真板齒犀起源問題研究

中國(guó)科學(xué)院古脊椎動(dòng)物與古人類研究所鄧濤研究團(tuán)隊(duì)研究了采自陜西省定邊縣楊井的一件晚中新世板齒犀化石。研究成果發(fā)表于Historical Biology。這件標(biāo)本顯示出了頭骨與牙齒的鑲嵌演化，成為中華板齒犀向真板齒犀類過渡的中間橋梁。形態(tài)學(xué)研究與系統(tǒng)發(fā)育分析顯示，中華板齒犀與真板齒犀構(gòu)成姐妹群并處于基干的位置。新材料代表了板齒犀屬內(nèi)最為原始的類群，因此，建立新種原始板齒犀。通過野外考察，在其相同層位中發(fā)現(xiàn)了兩種食肉類化石——?jiǎng)X虎和鬣狗，它們是典型的晚中新世成員。因此，推定真板齒犀可能起源于晚中新世的中國(guó)西北地區(qū)。原始板齒犀的發(fā)現(xiàn)為解決真板齒犀類的形態(tài)變化及起源問題提供了有力的證據(jù)。

史前以來的人類干擾是綠孔雀走向?yàn)l危的主要驅(qū)動(dòng)因素

中國(guó)科學(xué)院昆明動(dòng)物研究所楊曉君研究員、中山大學(xué)劉陽(yáng)教授等人合作，以綠孔雀為研究案例，提供了一種綜合利用多種信息（種群基因組學(xué)、歷史標(biāo)本信息、生態(tài)位模型和歷史人類活動(dòng)數(shù)據(jù)等）以探討物種致危因素的分析框架。相關(guān)成果發(fā)表于Proceedings of the Royal Society B: Biological Sciences。自新石器時(shí)代中期（約6000年前）以來綠孔雀種群急劇衰退，種群縮減幅度達(dá)200倍。統(tǒng)計(jì)分析顯示歷史氣候變化對(duì)于綠孔雀的分布變遷沒有顯著影響，而人類活動(dòng)強(qiáng)度則與其有效種群數(shù)量，以及當(dāng)前的存活狀態(tài)（絕跡vs幸存）具有顯著的負(fù)相關(guān)性。這些發(fā)現(xiàn)表明自史前以來的人類干擾是綠孔雀走向?yàn)l危的主要驅(qū)動(dòng)因素。

張氏翼鱈是2.44億年前最大的基干輻鰭魚類

中國(guó)科學(xué)院古脊椎動(dòng)物與古人類研究所徐光輝研究團(tuán)隊(duì)在云南羅平發(fā)現(xiàn)一種大型的古魚類化石，命名為張氏翼鱈。它體長(zhǎng)約30厘米，長(zhǎng)著大的口裂和鋒利的牙齒，是2.44億年前羅平生物群中已知最大的基干輻鰭魚類掠食者。相關(guān)成果發(fā)表于《古脊椎動(dòng)物學(xué)報(bào)》。輻鰭魚類是現(xiàn)生脊椎動(dòng)物中最大的類群，其最早化石記錄為4.1億年前的晨曉彌曼魚（約10厘米長(zhǎng)）。約在3.8億年前，輻鰭魚類的近親——肉鰭魚類，開始登上陸地，演化出包括人類在內(nèi)的陸地脊椎動(dòng)物，而一直在水中生活的輻鰭魚類逐漸占領(lǐng)了地球水域的各個(gè)生態(tài)位。張氏翼鱈的體長(zhǎng)約為尼爾森翼鱈體長(zhǎng)的2.3倍，是一個(gè)快速游動(dòng)的捕食者。

張氏翼鱈復(fù)原圖（許勇繪）（圖片來源于中國(guó)科學(xué)院古脊椎動(dòng)物與古人類研究所網(wǎng)站）

張氏翼鱈正型標(biāo)本（圖片來源于中國(guó)科學(xué)院古脊椎動(dòng)物與古人類研究所網(wǎng)站）

鸚鵡螺基因組測(cè)序分析揭示針孔眼形成和生物礦化機(jī)制

中國(guó)科學(xué)院南海海洋研究所熱帶海洋生物資源與生態(tài)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室喻子牛團(tuán)隊(duì)完成了鸚鵡螺全基因組測(cè)序，揭示了這種古老軟體動(dòng)物的進(jìn)化規(guī)律、針孔眼形成和生物礦化的機(jī)制。相關(guān)成果發(fā)表于Nature Ecology & Evolution。鸚鵡螺是現(xiàn)存最古老、最低等的頭足類動(dòng)物，主要分布于西太平洋—印度洋的熱帶與亞熱帶水域。在漫長(zhǎng)的演化歷程中，鸚鵡螺依然保留了祖先特征，如螺旋外殼和針孔眼等，被稱為海洋動(dòng)物中的“活化石”，因此在生物學(xué)進(jìn)化中有很高的研究?jī)r(jià)值。通過鸚鵡螺基因組測(cè)序和進(jìn)化分析，揭示了針孔眼形成和生物礦化的演變規(guī)律，研究成果為鸚鵡螺的生物學(xué)研究、遺傳資源保護(hù)及頭足動(dòng)物的適應(yīng)性演化提供了研究基礎(chǔ)。

西藏雅魯藏布江縫合帶西段放射蟲研究進(jìn)展

中國(guó)科學(xué)院南京地質(zhì)古生物研究所羅輝研究員課題組與合作者報(bào)道了位于雅魯藏布江縫合帶的普蘭地區(qū)姜葉瑪剖面層狀硅質(zhì)巖中發(fā)現(xiàn)的早白堊世歐特里夫期至晚巴雷姆期放射蟲化石。相關(guān)成果發(fā)表于Cretaceous Research。放射蟲是一類單細(xì)胞的海洋原生生物，其種類繁多，演化迅速，分布廣泛，從寒武紀(jì)到現(xiàn)代一直都是具有重要生物地層學(xué)意義的化石門類。雅魯藏布江縫合帶是歐亞板塊與印度板塊碰撞的標(biāo)志，殘留了一些已消失的新特提斯洋的地質(zhì)記錄，是研究新特提斯洋演化和青藏高原隆升過程的熱點(diǎn)地區(qū)。印度板塊和歐亞板塊之間的新特提斯洋深水相沉積可以從中三疊世一直持續(xù)到早白堊世晚巴雷姆期，它們記錄了新特提斯洋相對(duì)完整的演變歷史。

華南埃迪卡拉紀(jì)陡山沱組發(fā)現(xiàn)最早的陸生真菌狀化石

中國(guó)科學(xué)院地球化學(xué)研究所羅泰義研究員與國(guó)內(nèi)外合作者，從華南甕安地區(qū)埃迪卡拉紀(jì)陡山沱組底部蓋帽白云巖（距今約6.35億年前）的席狀孔洞（sheet-cavity）硅質(zhì)膠結(jié)物中首次報(bào)道了黃鐵礦化的真菌狀微體化石。系列成果發(fā)表于Nature、Nature Communications。這些微體化石可以解釋為生活在溶蝕孔洞環(huán)境中的真菌類生物，可以和現(xiàn)生的接合菌類進(jìn)行很好的對(duì)比。它們的絲體代表了沒有分隔的菌絲結(jié)構(gòu)，小的球體代表了用于繁殖的厚垣孢子，而大的球體則可能是與菌絲體共生的生物體。新發(fā)現(xiàn)的真菌狀化石佐證了雪球地球之后大陸風(fēng)化作用的轉(zhuǎn)折。真菌狀生物至少在距今約6.35億～6.32億年之間，就已經(jīng)在喀斯特溶蝕孔洞環(huán)境中茁壯成長(zhǎng)。