來源｜Nature、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)、中山大學(xué)、中國科學(xué)院生物物理研究所

7月12日晚，中科大潘建偉團隊、中山大學(xué)王猛團隊和中國科學(xué)院生物物理研究所薛愿超團隊分別在Nature發(fā)表最新成果。

中國科大成功實現(xiàn)最大規(guī)模的51比特量子糾纏態(tài)制備

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)中國科學(xué)院量子信息與量子科技創(chuàng)新研究院潘建偉、朱曉波、彭承志等組成的研究團隊與北京大學(xué)袁驍合作，成功實現(xiàn)了51個超導(dǎo)量子比特簇態(tài)制備和驗證，刷新了所有量子系統(tǒng)中真糾纏比特數(shù)目的世界紀(jì)錄，并首次實現(xiàn)了基于測量的變分量子算法的演示。該工作將各個量子系統(tǒng)中真糾纏比特數(shù)目的紀(jì)錄由原先的24個大幅突破至51個，充分展示了超導(dǎo)量子計算體系優(yōu)異的可擴展性，對于多體量子糾纏研究、大規(guī)模量子算法實現(xiàn)以及基于測量的量子計算具有重要意義。相關(guān)研究成果于7月12日在線發(fā)表在國際學(xué)術(shù)期刊《自然》雜志上。

量子糾纏是量子力學(xué)中最神秘也是最基礎(chǔ)的性質(zhì)之一，同時也是量子信息處理的核心資源，是量子計算加速效應(yīng)的根本來源之一。多年以來，實現(xiàn)大規(guī)模的多量子比特糾纏一直是各國科學(xué)家奮力追求的目標(biāo)。自1998年人們首次利用核磁共振系統(tǒng)實現(xiàn)3比特GHZ態(tài)的制備開始，真多體糾纏態(tài)的制備成為包括光子、離子阱、NV色心、中性原子及超導(dǎo)量子比特等各種物理系統(tǒng)規(guī)?；瘮U展的重要表征手段。其中，超導(dǎo)量子比特具有規(guī)?；卣沟膬?yōu)勢，在近年來發(fā)展迅速。我國科學(xué)家在超導(dǎo)量子比特多體糾纏制備方面取得了一系列重要成果，自2017年起先后完成了10比特、12比特、18比特的真糾纏態(tài)制備，不斷刷新超導(dǎo)量子計算領(lǐng)域的糾纏比特數(shù)目紀(jì)錄。

然而，更大規(guī)模的真糾纏態(tài)制備要求高連通性的量子系統(tǒng)、高保真的多比特量子門操作、以及高效準(zhǔn)確的量子態(tài)保真度表征手段。高連通性保證了大規(guī)模量子態(tài)生成的可能性，避免了因缺陷和連通性不足限制量子態(tài)規(guī)模；通過高保真量子門才能夠?qū)⒘孔颖忍剡B接起來形成高保真的多體量子糾纏態(tài)；而高效的量子態(tài)表征是克服隨比特數(shù)指數(shù)級增長的量子態(tài)規(guī)模復(fù)雜度、進行量子態(tài)保真度準(zhǔn)確估計的重要保證。這些要求對量子系統(tǒng)的性能、操控能力以及驗證手段提出了很高的要求，使此前真糾纏比特的規(guī)模停留在約20個量子比特的水平。

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圖 1 量子真糾纏態(tài)比特數(shù)目的發(fā)展歷史

研究團隊在前期構(gòu)建的“祖沖之二號”超導(dǎo)量子計算原型機的基礎(chǔ)上，進一步將并行多比特量子門的保真度提高到99.05%、讀取精度提高到95.09%，并結(jié)合研究團隊所提出的大規(guī)模量子態(tài)保真度驗證判定方案，成功實現(xiàn)了51比特簇態(tài)制備和驗證。最終51比特一維簇態(tài)保真度達(dá)到0.637±0.030，超過0.5糾纏判定閾值13個標(biāo)準(zhǔn)差。這一結(jié)果將各個量子系統(tǒng)中真糾纏比特數(shù)目的紀(jì)錄由原先的24個大幅突破至51個，充分展示了超導(dǎo)量子計算體系優(yōu)異的可擴展性。在此基礎(chǔ)上，研究團隊通過結(jié)合基于測量的變分量子本征求解器，開展了對于小規(guī)模的擾動平面碼的本征能量的求解，首次實現(xiàn)了基于測量的變分量子算法，為基于測量的量子計算方案走向?qū)嵱玫於嘶A(chǔ)。

本研究工作得到了科技部、安徽省、上海市、自然科學(xué)基金委和中科院等的資助。

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圖2 利用“祖沖之二號”完成的51比特一維簇態(tài)制備的線路及量子態(tài)保真度結(jié)果

論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41586-023-06195-1

從0到1重大突破！中山大學(xué)王猛團隊發(fā)現(xiàn)鎳基高溫超導(dǎo)體

北京時間7月12日晚上11點，《自然》雜志（Nature）刊登中山大學(xué)王猛教授團隊主導(dǎo)的科學(xué)成果：首次發(fā)現(xiàn)液氮溫區(qū)鎳氧化物超導(dǎo)體。

這是中國科學(xué)家在全球率先發(fā)現(xiàn)的全新高溫超導(dǎo)體系，是人類目前發(fā)現(xiàn)的第二種液氮溫區(qū)非常規(guī)超導(dǎo)材料，是基礎(chǔ)研究領(lǐng)域“從0到1”的突破，將有望推動破解高溫超導(dǎo)機理，使設(shè)計和預(yù)測高溫超導(dǎo)材料成為可能，實現(xiàn)更廣泛更大規(guī)模的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。

“這次發(fā)現(xiàn)高溫超導(dǎo)的鎳氧化物，鎳的價態(tài)為+2.5價，超出傳統(tǒng)預(yù)期，其電子結(jié)構(gòu)、磁性與銅氧化物完全不同。通過比較研究，將有可能確定高溫超導(dǎo)的關(guān)鍵因素，推動科學(xué)家破解高溫超導(dǎo)機理。”王猛教授介紹，“根據(jù)機理，有望與計算機、AI技術(shù)等學(xué)科交叉后，設(shè)計、合成新的更多的更容易應(yīng)用的高溫超導(dǎo)材料，實現(xiàn)更加廣泛的應(yīng)用?！?/span>

La3Ni2O7單晶樣品高壓下的電阻、抗磁性及超導(dǎo)上臨界磁場擬合

這個發(fā)現(xiàn)在審稿階段于科研論文預(yù)印平臺公布后，迅速受到全球超導(dǎo)領(lǐng)域研究人員廣泛關(guān)注和跟進研究，在一個月左右的時間里已有十余篇相關(guān)理論和實驗工作相繼公布。論文也得到了《自然》雜志審稿人的高度評價，認(rèn)為它“具有突出重要性”“是開創(chuàng)性發(fā)現(xiàn)”“業(yè)內(nèi)將廣泛關(guān)注”。

本工作由中山大學(xué)物理學(xué)院教授王猛領(lǐng)導(dǎo)完成。中山大學(xué)物理學(xué)院副研究員孫華蕾、博士研究生霍夢五為論文的共同第一作者，王猛和清華大學(xué)教授張廣銘為論文共同通訊作者。實驗方面，王猛教授團隊得到華南理工大學(xué)唐玲云、毛忠泉，中國科學(xué)院物理研究所程金光團隊，美國亞利桑那州立大學(xué)博士韓藝豐支持；理論方面中山大學(xué)教授姚道新和博士研究生胡訓(xùn)武開展了基于密度泛函理論的材料結(jié)構(gòu)和能帶計算，清華大學(xué)張廣銘教授提出了一個理解實驗和計算結(jié)果的物理圖像。

論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41586-023-06408-7

薛愿超團隊揭示基因組重復(fù)序列Alu調(diào)控轉(zhuǎn)錄新機制

2023年7月12日，中國科學(xué)院生物物理研究所薛愿超團隊在《Nature》雜志在線發(fā)表了題為”Complementary Alu sequences mediate enhancer-promoter selectivity”的研究論文。

轉(zhuǎn)錄調(diào)控在維持細(xì)胞功能和正常發(fā)育過程中起著關(guān)鍵作用。其中，增強子（enhancer）作為調(diào)控基因轉(zhuǎn)錄的重要元件，往往需要通過遠(yuǎn)距離染色質(zhì)環(huán)化與目標(biāo)啟動子（promoter）相互作用，從而決定基因的時空表達(dá)特異性。這一過程不僅參與了細(xì)胞命運的決定，還在多種疾病的發(fā)生發(fā)展中扮演著重要角色。增強子能夠精確地選擇需要激活的目標(biāo)啟動子，以準(zhǔn)確調(diào)節(jié)特定基因的轉(zhuǎn)錄時間和轉(zhuǎn)錄水平。然而，增強子和啟動子配對選擇的特異性是如何實現(xiàn)的依然是未解之謎。

為了解決這一關(guān)鍵科學(xué)問題，薛愿超團隊利用實驗室之前開發(fā)的RNA原位構(gòu)象測序技術(shù)RIC-seq（Nature, 2020），系統(tǒng)捕獲了增強子RNA（eRNA）和啟動子來源的非編碼RNA（uaRNA或 PROMPTs）之間的相互作用，并構(gòu)建了高分辨率增強子-啟動子RNA互作（EPRI）圖譜。與傳統(tǒng)的染色質(zhì)構(gòu)象捕獲技術(shù)如Hi-C、HiChIP、ChIA-PET等不同，RIC-seq技術(shù)可直接鑒定增強子和啟動子非編碼RNA之間的空間互作位點，并據(jù)此推導(dǎo)增強子-啟動子的鏈接網(wǎng)絡(luò)，因此在解析增強子-啟動子互作的序列特征方面具有更高的分辨率。

基于EPRI圖譜，該研究團隊發(fā)現(xiàn)增強子與啟動子之間的配對選擇特異性受到基因組重復(fù)序列Alu的調(diào)控。Alu序列是哺乳動物尤其是人類基因組中廣泛分布的重復(fù)元件。研究人員發(fā)現(xiàn)，增強子和啟動子RNA中的Alu序列充當(dāng)了增強子-啟動子之間相互交流的中介，并通過多種實驗證明增強子RNA和啟動子RNA中反向互補的Alu序列可通過堿基配對形成RNA雙鏈，從而決定了增強子-啟動子的配對選擇特異性。這一發(fā)現(xiàn)不僅揭示了Alu在基因表達(dá)調(diào)控中的新機制，還為理解增強子和啟動子非編碼RNA在轉(zhuǎn)錄激活的功能提供了新視角。

此外，研究人員通過將非編碼區(qū)突變映射到增強子-啟動子RNA互作（EPRI）圖譜，構(gòu)建了”突變-功能”圖譜，系統(tǒng)地注釋了非編碼突變（尤其是Alu元件的刪除和插入）影響的靶標(biāo)基因，為理解疾病發(fā)生提供了寶貴的資源。研究團隊進一步發(fā)現(xiàn)，位于Alu元件中的突變可能會影響眾多蛋白質(zhì)編碼基因的轉(zhuǎn)錄，從而對細(xì)胞命運產(chǎn)生重要影響。如癌基因PTK2增強子中的多態(tài)性Alu元件刪除能夠顯著降低癌細(xì)胞增殖和侵襲能力，這為Alu元件突變與癌癥易感性之間的關(guān)聯(lián)提供了重要線索。

“增強子-啟動子互作圖譜”以及”突變-功能圖譜”構(gòu)建

該研究工作從非編碼RNA的角度上揭示了增強子-啟動子配對選擇特異性的原則，并將非編碼風(fēng)險變異與其分子功能聯(lián)系了起來，為我們深入理解基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控的分子機制，以及疾病發(fā)生發(fā)展提供了新范式。

該項工作得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金委、中科院先導(dǎo)項目和王寬誠教育基金等多項基金資助。中國科學(xué)院生物物理所博士后梁良，副研究員曹唱唱、吉蕾，特別研究助理蔡兆奎為本文共同第一作者，薛愿超研究員為唯一通訊作者。河南師范大學(xué)碩士研究生王若言和白志博參與了該項研究工作。該研究工作還得到了廣東省人民醫(yī)院朱平教授和河南師范大學(xué)楊獻光教授的幫助和指導(dǎo)。此外，生物物理所生物成像平臺和實驗動物平臺也為該研究提供了技術(shù)支持。

文章鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41586-023-06323-x

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