來源｜Nature、中國科學技術大學、中山大學、中國科學院生物物理研究所

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

中國科大成功實現最大規模的51比特量子糾纏態制備

中國科學技術大學中國科學院量子信息與量子科技創新研究院潘建偉、朱曉波、彭承志等組成的研究團隊與北京大學袁驍合作，成功實現了51個超導量子比特簇態制備和驗證，刷新了所有量子系統中真糾纏比特數目的世界紀錄，并首次實現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中真糾纏比特數目的紀錄由原先的24個大幅突破至51個，充分展示了超導量子計算體系優異的可擴展性，對于多體量子糾纏研究、大規模量子算法實現以及基于測量的量子計算具有重要意義。相關研究成果于7月12日在線發表在國際學術期刊《自然》雜志上。

量子糾纏是量子力學中最神秘也是最基礎的性質之一，同時也是量子信息處理的核心資源，是量子計算加速效應的根本來源之一。多年以來，實現大規模的多量子比特糾纏一直是各國科學家奮力追求的目標。自1998年人們首次利用核磁共振系統實現3比特GHZ態的制備開始，真多體糾纏態的制備成為包括光子、離子阱、NV色心、中性原子及超導量子比特等各種物理系統規模化擴展的重要表征手段。其中，超導量子比特具有規模化拓展的優勢，在近年來發展迅速。我國科學家在超導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比特的真糾纏態制備，不斷刷新超導量子計算領域的糾纏比特數目紀錄。

然而，更大規模的真糾纏態制備要求高連通性的量子系統、高保真的多比特量子門操作、以及高效準確的量子態保真度表征手段。高連通性保證了大規模量子態生成的可能性，避免了因缺陷和連通性不足限制量子態規模；通過高保真量子門才能夠將量子比特連接起來形成高保真的多體量子糾纏態；而高效的量子態表征是克服隨比特數指數級增長的量子態規模復雜度、進行量子態保真度準確估計的重要保證。這些要求對量子系統的性能、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模停留在約20個量子比特的水平。

重大突破！國內第一單位3篇Nature！

圖 1 量子真糾纏態比特數目的發展歷史

研究團隊在前期構建的“祖沖之二號”超導量子計算原型機的基礎上，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%，并結合研究團隊所提出的大規模量子態保真度驗證判定方案，成功實現了51比特簇態制備和驗證。最終51比特一維簇態保真度達到0.637±0.030，超過0.5糾纏判定閾值13個標準差。這一結果將各個量子系統中真糾纏比特數目的紀錄由原先的24個大幅突破至51個，充分展示了超導量子計算體系優異的可擴展性。在此基礎上，研究團隊通過結合基于測量的變分量子本征求解器，開展了對于小規模的擾動平面碼的本征能量的求解，首次實現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實用奠定了基礎。

本研究工作得到了科技部、安徽省、上海市、自然科學基金委和中科院等的資助。

重大突破！國內第一單位3篇Nature！

圖2 利用“祖沖之二號”完成的51比特一維簇態制備的線路及量子態保真度結果

論文鏈接：

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

從0到1重大突破！中山大學王猛團隊發現鎳基高溫超導體

北京時間7月12日晚上11點，《自然》雜志（Nature）刊登中山大學王猛教授團隊主導的科學成果：首次發現液氮溫區鎳氧化物超導體。

這是中國科學家在全球率先發現的全新高溫超導體系，是人類目前發現的第二種液氮溫區非常規超導材料，是基礎研究領域“從0到1”的突破，將有望推動破解高溫超導機理，使設計和預測高溫超導材料成為可能，實現更廣泛更大規模的產業化應用。

“這次發現高溫超導的鎳氧化物，鎳的價態為+2.5價，超出傳統預期，其電子結構、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的關鍵因素，推動科學家破解高溫超導機理。”王猛教授介紹，“根據機理，有望與計算機、AI技術等學科交叉后，設計、合成新的更多的更容易應用的高溫超導材料，實現更加廣泛的應用。”

La3Ni2O7單晶樣品高壓下的電阻、抗磁性及超導上臨界磁場擬合

這個發現在審稿階段于科研論文預印平臺公布后，迅速受到全球超導領域研究人員廣泛關注和跟進研究，在一個月左右的時間里已有十余篇相關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，認為它“具有突出重要性”“是開創性發現”“業內將廣泛關注”。

本工作由中山大學物理學院教授王猛領導完成。中山大學物理學院副研究員孫華蕾、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唐玲云、毛忠泉，中國科學院物理研究所程金光團隊，美國亞利桑那州立大學博士韓藝豐支持；理論方面中山大學教授姚道新和博士研究生胡訓武開展了基于密度泛函理論的材料結構和能帶計算，清華大學張廣銘教授提出了一個理解實驗和計算結果的物理圖像。

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序列Alu調控轉錄新機制

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

轉錄調控在維持細胞功能和正常發育過程中起著關鍵作用。其中，增強子（enhancer）作為調控基因轉錄的重要元件，往往需要通過遠距離染色質環化與目標啟動子（promoter）相互作用，從而決定基因的時空表達特異性。這一過程不僅參與了細胞命運的決定，還在多種疾病的發生發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啟動子，以準確調節特定基因的轉錄時間和轉錄水平。然而，增強子和啟動子配對選擇的特異性是如何實現的依然是未解之謎。

為了解決這一關鍵科學問題，薛愿超團隊利用實驗室之前開發的RNA原位構象測序技術RIC-seq（Nature, 2020），系統捕獲了增強子RNA（eRNA）和啟動子來源的非編碼RNA（uaRNA或 PROMPTs）之間的相互作用，并構建了高分辨率增強子-啟動子RNA互作（EPRI）圖譜。與傳統的染色質構象捕獲技術如Hi-C、HiChIP、ChIA-PET等不同，RIC-seq技術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，并據此推導增強子-啟動子的鏈接網絡，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，該研究團隊發現增強子與啟動子之間的配對選擇特異性受到基因組重復序列Alu的調控。Alu序列是哺乳動物尤其是人類基因組中廣泛分布的重復元件。研究人員發現，增強子和啟動子RNA中的Alu序列充當了增強子-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。這一發現不僅揭示了Alu在基因表達調控中的新機制，還為理解增強子和啟動子非編碼RNA在轉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突變映射到增強子-啟動子RNA互作（EPRI）圖譜，構建了”突變-功能”圖譜，系統地注釋了非編碼突變（尤其是Alu元件的刪除和插入）影響的靶標基因，為理解疾病發生提供了寶貴的資源。研究團隊進一步發現，位于Alu元件中的突變可能會影響眾多蛋白質編碼基因的轉錄，從而對細胞命運產生重要影響。如癌基因PTK2增強子中的多態性Alu元件刪除能夠顯著降低癌細胞增殖和侵襲能力，這為Alu元件突變與癌癥易感性之間的關聯提供了重要線索。

“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，并將非編碼風險變異與其分子功能聯系了起來，為我們深入理解基因轉錄調控的分子機制，以及疾病發生發展提供了新范式。

該項工作得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金委、中科院先導項目和王寬誠教育基金等多項基金資助。中國科學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院朱平教授和河南師范大學楊獻光教授的幫助和指導。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支持。

文章鏈接：

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

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