世界一流科技期刊文章精选

量子前沿

62比特可编程超导量子计算处理器

中国科学院量子信息与量子科技创新研究院（以下简称“量子创新研究院”）潘建伟、朱晓波、彭承志等组成的研究团队，成功研制了62比特可编程超导量子计算原型机“祖冲之号”，并在此基础上实现了可编程的二维量子行走。相关成果发表于Science。“祖冲之号”是目前超导量子比特数目最多、包含62个比特的可编程超导量子计算原型机，并在该系统上成功进行了二维可编程量子行走的演示。研究团队在二维结构的超导量子比特芯片上，观察了单粒子及双粒子激发情形下的量子行走现象，实验研究了二维平面上量子信息传播速度，同时通过调制量子比特连接的拓扑结构的方式构建马赫-曾德尔干涉仪，实现了可编程的双粒子量子行走。

二维超导量子比特芯片示意图，每个橘色十字代表一个量子比特。（图片来源于中国科学技术大学网站）

准对称群与“量子多体伤痕”现象

中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心凝聚态理论与材料计算重点实验室方辰研究组首次指出了在“多体伤痕”模型中，普遍存在着一种涌现的“准对称性”。相关成果发表于Physical Review Letters。准对称性是伤痕空间的对称性。与通常的对称性一样，准对称操作也构成群结构，称为准对称群。许多严格多体伤痕模型中的伤痕塔的结构，都可以用某个准对称群的表示理论来理解。同时，初态在伤痕塔中的周期演化，仅仅通过向哈密顿量中增加一个准对称群的生成元即可实现。团队重现了绝大多数的伤痕塔，并且构造了具有SU（3）准对称群等更复杂结构的新型多体伤痕哈密顿量。

量子梯度算法原理演示

清华大学龙桂鲁教授与国内外合作者完成了量子梯度算法原理演示。相关成果发表于Npj Quantum Information。研究团队利用龙桂鲁教授提出的酉算子线性组合（LCU）方法，发展了量子梯度算法，给出了量子线路表示，将量子态拷贝数量从多项式数目减少为与系统大小无关的常数2，大幅度降低了线路的深度，使其量子门操作数目大幅减少，可在当前资源有限的量子处理器上实现。该研究在四量子比特的核磁共振量子处理器上，实验演示了优化的迭代过程。这一算法可直接用于大数据分析中的多维比例缩放问题。

分数量子霍尔效应理论研究进展

浙江大学刘钊研究员与合作者以双层-双层转角石墨烯为例，探索在摩尔超晶格材料中实现格点分数量子霍尔效应的可能性。相关成果发表于Physical Review Letters。考虑电荷中性点附近带有非零陈数的导带被库仑相互作用电子分数填充的情况，通过数值对角化系统的微观哈密顿量，发现体系的低能能谱和纠缠性质在某些填充因子处确实拥有分数量子霍尔态的特征。通过调节垂直电场强度和转角，可以获得没有连续介质对应的高陈数分数量子霍尔态。这些分数量子霍尔态与激发态之间的能隙换算成温度最高可达10K，远高于传统二维电子气中的mK量级。结果表明，摩尔超晶格材料是实现零磁场高温分数量子霍尔效应的理想平台。

扫描探针显微术领域研究进展综述

北京大学物理学院量子材料科学中心、轻元素先进材料研究中心江颖教授联合扫描探针显微术领域多个国家的知名学者，共同撰写了题为“Scanning probemicroscopy”（扫描探针显微术）的综述文章。相关成果发表于Nature Reviews Methods Primers。扫描探针显微镜（Scanning Probe Microscopy,SPM）是纳米科技领域最伟大的发明之一，其利用尖锐的针尖逐点扫描样品，可在原子/分子/纳米尺度上获取表面的形貌和丰富的物性。SPM已广泛应用于物理学、化学、材料科学和生物学等多个领域，改变了人类对物质的研究范式和基础认知。目前，SPM还存在诸如针尖扰动、分辨率等技术挑战。

扫描隧道显微镜装置（图片来源于作者发表于当期Nature Reviews Methods Primers的期刊论文）

硅基半导体量子芯片的自旋调控研究进展

中国科学技术大学郭光灿院士团队郭国平、李海欧等人与中国科学院物理研究所张建军和本源量子计算有限公司合作，在硅基锗空穴量子点中实现朗道g因子张量和自旋轨道耦合场方向的测量与调控。相关成果发表于Nano Letters。研究人员可以通过改变纳米线的生长方向，使得上述两种自旋轨道耦合方向相反、大小相等，从而实现自旋轨道耦合的开关，当体系处于“sweet spot”（自旋轨道耦合完全关闭）时，由自旋轨道耦合引起的退相干过程会被大幅度地抑制，自旋量子比特的退相干时间会得到有效延长。这项研究对于该体系更好地实现自旋量子比特操控及寻找马约拉纳费米子有着重要的指导意义。

可调的太赫兹石墨薄膜等离激元

复旦大学物理系晏湖根课题组系统研究了石墨薄膜中的太赫兹等离激元，展示了石墨薄膜等离激元兼具金属的强共振和石墨烯的可调性两大优点，并通过磁场对石墨薄膜中两种载流子对其等离激元的贡献予以定量区分。相关成果发表于Physical Review Letters。作为电子集体振荡行为的量子化，等离激元能够突破衍射极限将电磁场局域在亚波长尺度，并且增强特定频率范围内光与物质之间的相互作用。等离激元的应用相当广泛，包含传感器、超材料、光伏器件和辐射调控等。该研究为石墨等离激元在可调的太赫兹光电器件中的应用奠定了基础，揭示了温度、偏压、磁场，以及超快光学激发等潜在手段可以有效调控基于石墨的等离激元器件。

量子安全的“双保险”

中国科学技术大学潘建伟、张强团队与云南大学、上海交通大学及科大国盾量子技术股份有限公司等单位合作，完成了量子密钥分发（QKD）和后量子算法（PQC）的融合应用。相关成果发表于Npj Quantum Information。研究成果提供了一种新型的QKD的认证方案，为提高整个QKD网络的安全性找到了一种有效解决途径。这种新型安全认证方案可以利用PQC简化QKD在复杂网络环境下的身份认证和密钥管理，同时QKD则提供了PQC等公钥体系无法确保的无条件安全性，两种技术结合，进一步保障量子保密通信网络系统安全性，也提高了量子保密通信网络的经济性、便利性，将极大促进量子保密通信的应用和推广前景。

古生物研究

漳浦生物群是新生代最丰富的热带雨林化石库

中国科学院南京地质古生物研究所王博研究员和史恭乐研究员带领的团队，于2010年在福建东南沿海漳浦县佛昙群地层首次发现了漳浦生物群，其地质时代（约1470万年前）恰处于中新世气候适宜期的晚期。近10年来，王博和史恭乐领导的由多个学科的30位研究人员组成的联合团队，对该生物群的多样性、古生态和古气候意义开展了详细研究。相关成果发表于Science Advances。研究结果表明，漳浦生物群是一个物种极其丰富的热带季雨林化石库，其中漳浦琥珀生物群是世界四大琥珀生物群之一。该研究为我们了解现代亚洲热带雨林生态系统的演化及其如何响应未来气候变暖提供了参考。

漳浦生物群生态复原图（图片来源于中国科学院南京地质古生物研究所网站）

漳浦琥珀中代表性昆虫（图片来源于中国科学院南京地质古生物研究所网站）

蓖麻从树木到作物的起源和驯化历史

中国科学院昆明植物研究所李德铢研究员与国内合作者们揭示了蓖麻的栽培起源、居群分化、群体动态历史和驯化过程中重要农艺性状形成的分子基础，研究了蓖麻从多年生树到单年生油料作物驯化过程中的演化规律。相关成果发表于Genome Biology。通过比较蓖麻和近缘种的基因组发现，蓖麻和山靛所代表的支系大约在4828万年前就与大戟科的其他支系发生了分化。通过对世界广泛收集的35个国家和地区的蓖麻种质（包括182个野生蓖麻种质和323个栽培蓖麻种质）分析发现，东非野生蓖麻居群遗传多样性比其他地区栽培或逸生蓖麻的遗传多样性高，且和栽培蓖麻在遗传上发生明显的分化，然而栽培蓖麻群体没有表现出明显的地理结构。

真板齿犀起源问题研究

中国科学院古脊椎动物与古人类研究所邓涛研究团队研究了采自陕西省定边县杨井的一件晚中新世板齿犀化石。研究成果发表于Historical Biology。这件标本显示出了头骨与牙齿的镶嵌演化，成为中华板齿犀向真板齿犀类过渡的中间桥梁。形态学研究与系统发育分析显示，中华板齿犀与真板齿犀构成姐妹群并处于基干的位置。新材料代表了板齿犀属内最为原始的类群，因此，建立新种原始板齿犀。通过野外考察，在其相同层位中发现了两种食肉类化石——剑齿虎和鬣狗，它们是典型的晚中新世成员。因此，推定真板齿犀可能起源于晚中新世的中国西北地区。原始板齿犀的发现为解决真板齿犀类的形态变化及起源问题提供了有力的证据。

史前以来的人类干扰是绿孔雀走向濒危的主要驱动因素

中国科学院昆明动物研究所杨晓君研究员、中山大学刘阳教授等人合作，以绿孔雀为研究案例，提供了一种综合利用多种信息（种群基因组学、历史标本信息、生态位模型和历史人类活动数据等）以探讨物种致危因素的分析框架。相关成果发表于Proceedings of the Royal Society B: Biological Sciences。自新石器时代中期（约6000年前）以来绿孔雀种群急剧衰退，种群缩减幅度达200倍。统计分析显示历史气候变化对于绿孔雀的分布变迁没有显著影响，而人类活动强度则与其有效种群数量，以及当前的存活状态（绝迹vs幸存）具有显著的负相关性。这些发现表明自史前以来的人类干扰是绿孔雀走向濒危的主要驱动因素。

张氏翼鳕是2.44亿年前最大的基干辐鳍鱼类

中国科学院古脊椎动物与古人类研究所徐光辉研究团队在云南罗平发现一种大型的古鱼类化石，命名为张氏翼鳕。它体长约30厘米，长着大的口裂和锋利的牙齿，是2.44亿年前罗平生物群中已知最大的基干辐鳍鱼类掠食者。相关成果发表于《古脊椎动物学报》。辐鳍鱼类是现生脊椎动物中最大的类群，其最早化石记录为4.1亿年前的晨晓弥曼鱼（约10厘米长）。约在3.8亿年前，辐鳍鱼类的近亲——肉鳍鱼类，开始登上陆地，演化出包括人类在内的陆地脊椎动物，而一直在水中生活的辐鳍鱼类逐渐占领了地球水域的各个生态位。张氏翼鳕的体长约为尼尔森翼鳕体长的2.3倍，是一个快速游动的捕食者。

张氏翼鳕复原图（许勇绘）（图片来源于中国科学院古脊椎动物与古人类研究所网站）

张氏翼鳕正型标本（图片来源于中国科学院古脊椎动物与古人类研究所网站）

鹦鹉螺基因组测序分析揭示针孔眼形成和生物矿化机制

中国科学院南海海洋研究所热带海洋生物资源与生态重点实验室喻子牛团队完成了鹦鹉螺全基因组测序，揭示了这种古老软体动物的进化规律、针孔眼形成和生物矿化的机制。相关成果发表于Nature Ecology & Evolution。鹦鹉螺是现存最古老、最低等的头足类动物，主要分布于西太平洋—印度洋的热带与亚热带水域。在漫长的演化历程中，鹦鹉螺依然保留了祖先特征，如螺旋外壳和针孔眼等，被称为海洋动物中的“活化石”，因此在生物学进化中有很高的研究价值。通过鹦鹉螺基因组测序和进化分析，揭示了针孔眼形成和生物矿化的演变规律，研究成果为鹦鹉螺的生物学研究、遗传资源保护及头足动物的适应性演化提供了研究基础。

西藏雅鲁藏布江缝合带西段放射虫研究进展

中国科学院南京地质古生物研究所罗辉研究员课题组与合作者报道了位于雅鲁藏布江缝合带的普兰地区姜叶玛剖面层状硅质岩中发现的早白垩世欧特里夫期至晚巴雷姆期放射虫化石。相关成果发表于Cretaceous Research。放射虫是一类单细胞的海洋原生生物，其种类繁多，演化迅速，分布广泛，从寒武纪到现代一直都是具有重要生物地层学意义的化石门类。雅鲁藏布江缝合带是欧亚板块与印度板块碰撞的标志，残留了一些已消失的新特提斯洋的地质记录，是研究新特提斯洋演化和青藏高原隆升过程的热点地区。印度板块和欧亚板块之间的新特提斯洋深水相沉积可以从中三叠世一直持续到早白垩世晚巴雷姆期，它们记录了新特提斯洋相对完整的演变历史。

华南埃迪卡拉纪陡山沱组发现最早的陆生真菌状化石

中国科学院地球化学研究所罗泰义研究员与国内外合作者，从华南瓮安地区埃迪卡拉纪陡山沱组底部盖帽白云岩（距今约6.35亿年前）的席状孔洞（sheet-cavity）硅质胶结物中首次报道了黄铁矿化的真菌状微体化石。系列成果发表于Nature、Nature Communications。这些微体化石可以解释为生活在溶蚀孔洞环境中的真菌类生物，可以和现生的接合菌类进行很好的对比。它们的丝体代表了没有分隔的菌丝结构，小的球体代表了用于繁殖的厚垣孢子，而大的球体则可能是与菌丝体共生的生物体。新发现的真菌状化石佐证了雪球地球之后大陆风化作用的转折。真菌状生物至少在距今约6.35亿～6.32亿年之间，就已经在喀斯特溶蚀孔洞环境中茁壮成长。