美国和中国研究人员近日在英国《自然》杂志上发表论文说，他们在托卡马克核聚变实验中取得突破性进展，不仅提高了等离子体密度上限，同时可使等离子体保持高约束模式的稳态运行。新研究将受控核聚变技术向着商业化方向又推进一步，但能否推广到更大规模的设备上仍有待验证。 受控核聚变技术有望为人类提供近乎无限的清洁能源，帮助人类摆脱对化石燃料的依赖。托卡马克反应堆是一种利用磁约束来实现受控核聚变的环形装置，被认为是利用核聚变发电的反应堆中最有前景的设计之一。在托卡马克反应堆内，氢的同位素氘和氚被加热到超高温度以产生等离子体，强磁场将高温等离子体约束在环形管道中，使其发生聚变反应。 英国《新科学家》杂志报道说，通常认为，在托卡马克核聚变反应中存在一个等离子体密度临界点，即“格林沃尔德极限”。实验表明，增加等离子体的密度可以提高能量产出。然而当等离子体密度达到“格林沃尔德极限”后将无法进一步提升，否则等离子体就会逃脱磁场约束，造成反应堆损坏。 在最新研究中，美国通用原子公司、劳伦斯利弗莫尔国家实验室和中国科学院等离子体物理研究所等机构参与的团队成功让美国杜布莱特III-D托卡马克核聚变实验装置在等离子体平均密度比“格林沃尔德极限”提高20%的情况下，稳定运行了2.2秒；同时还实现了能量约束水平比标准的高约束模式高出约50%。 据报道，研究人员尝试将已有的不同方法结合起来，创造出一种新的运行机制。他们通过提高“甜甜圈”形状等离子体的核心部位密度来增加能量输出，同时允许等离子体密度在靠近安全壳的边缘下降，从而避免等离子体逃逸。他们还向等离子体中注入氘气，以平息特定部位的反应。 研究人员指出，该运行机制可以支持世界上现有核聚变反应堆设计中的一些关键要求，并为生产具有经济吸引力的聚变能源开辟了一条潜在途径。 查看详细>>

动态共价键兼具共价键的稳定性和非共价键的动态可逆性，被广泛应用于分子组装、功能材料构筑、复杂化学系统调控及生物标记等方面。动态共价体系受热力学控制到达能量最低点，而生命体系通常在远离平衡态下发挥功能，发展非平衡态化学是研究前沿之一。光作为一种清洁能量源具有非侵入性及高时空分辨率的特点，能够将分子转化为高能量激发态或亚稳态从而实现基态难以完成的反应过程，为非平衡态化学提供有力工具。光开关在光刺激下发生结构和颜色的可逆转化，将光开关与动态共价键耦合，一方面可通过光照调控动态共价反应能垒，另一方面能够通过双向光切换赋予动态共价反应活性“开关”性能，实现平衡态/非平衡态的远程控制。因此，发展新型光控动态共价键具有重要科学意义，将为功能分子、组装体和智能响应材料的构筑奠定基础。 中国科学院福建物质结构研究所结构化学重点实验室尤磊课题组在国家自然科学基金、中国科学院前沿科学重点研究项目以及福建省科学基金的资助下，发展新型光控可切换动态共价化学策略，近期取得了系列新进展。在前期以环-链互变异构体双重反应性为导向的动态共价化学研究基础上（Chem.Commun.2023,59,12943-12958,Feature Article），以二噻吩乙烯（DTE）开关为光响应模块，在乙烯桥引入具有环-链异构特征的环状半缩醛，实现C-X键（X=NH、O和S）形成和断裂的远程控制。通过在平衡态（动态性）与动力学锁定的非平衡态（稳定性）之间进行光切换，可根据需求选择性开启（ON）与关闭（OFF）共价键的形成和断裂（图1A）。为展示功能化应用，实现了生物活性分子的可控结合与释放、表面亲疏水改性以及动态共价聚合物的稳定性/可降解性回收性的控制（J.Am.Chem.Soc.2021,143,20368-20376）。进一步引入动态酰腙键，利用光驱动开环结构产生的识别空腔结合金属离子，实现光控识别与释放（CCS Chemistry 2024,6,497-506）。将环-链异构体系与偶氮苯开关融合，具有多重刺激响应和多态切换，进一步提升了系统复杂性（Chem.Sci.2024,15,3290-3299）。 酮-烯醇互变异构广泛存在，引起的酸性改变和极性反转占据重要地位，但其光调控存在挑战。该团队基于DTE光照前后芳香性/反芳香性变化，实现环状1,3-二酮衍生物光控酮-烯醇互变异构切换（Org.Lett.2022,24,8639-8644），为动态共价反应的光调控开辟了另一途径。在二噻吩乙烯桥引入1,3-二酮类Michael受体，研究醇、硫醇、胺等不同类型亲核试剂与Michael受体光照前后的交换反应，实现了光控可切换动态共轭加成-消除反应（图1B）。机理研究表明光照前后中间体酮-烯醇异构平衡变化及过渡态芳香性/反芳香性差异在反应能垒调控中扮演关键角色。进一步展示了在光控固体表面图案化、两亲组装、动态共价聚合物等不同场景的应用潜力。该光控动态键体系具有温和反应条件和广泛底物范围，是一类新型光控点击/去点击反应（Nat.Comm.2023,14,4015）。 将生命系统中的变构控制与光开关融合，为发展具有多步级联特征的光控动态共价体系提供契机，模拟生命信号转导网络。该团队在上述工作的基础上，创新性的引入醛-半缩醛环-链异构基元并与DTE光环化/光开环反应、酮-烯醇互变异构构建多步级联体系，通过醛-半缩醛光控可逆结构转化实现了动态共价反应的变构和双向控制。光照后产生的环状半缩醛结构能够与醇、硫醇高效反应构筑C-X键（X=O和S），而逆向光切换能够切断C-X键，实现光控共价结合/释放（图1C）。利用上述特性，将光控变构级联体系引入动态聚合物，进一步展示了动态聚合物的光控聚合/解聚及结构重构。 上述系列光控可切换动态共价体系为非平衡态化学提供了新思路，为后续动态组装、分子机器、智能材料研究铺平道路。 图1基于环-链互变异构（A）、酮-烯醇互变异构（B）、级联变构控制（C）的光控动态共价化学 查看详细>>

4月25日，中国科学院量子信息与量子科技创新研究院（以下简称“量子创新院”）向该公司交付了一款504比特超导量子计算芯片“骁鸿”。 1、“骁鸿”问世！ 据了解，测控系统和量子计算芯片是量子计算机不可或缺的核心硬件组件。其中，测控系统通过与量子计算芯片的精密交互，确保信号的准确生成、传输和处理，从而深刻影响着量子计算机的整体性能。为了全面验证大规模测控系统的各项性能指标，量子创新院特别定制研发了这款504比特的“骁鸿”量子计算芯片。 “骁鸿”量子芯片一经发布，便引起业界广泛关注。据悉，此次发布的“骁鸿”芯片在集成超过500比特的同时，量子比特的寿命、门保真度、门深度、读取保真度等关键指标，有望达到IBM等国际主流量子计算云平台的芯片性能。 据介绍，本次发布的“骁鸿”芯片，将用于国盾量子千比特超导量子计算测控系统——ez-Q Engine 2.0的实测，进行单比特门、双比特门、读取操作及测控系统性能测试，测试工作预计在今年8月前完成。值得一提的是，新测控系统在集成度上较上一代产品提升了10倍以上，且核心元器件采用了国产化设计，这不仅提高了操控精度，还大幅降低了成本。 该芯片刷新了国内超导量子比特数量的纪录。不过，“骁鸿”芯片主要考虑通过集成更多的比特数和实现各单项指标，综合性能与量子创新院团队此前创造量子纠缠数世界纪录的“祖冲之二号”芯片尚有差距，不具备实现“量子计算优越性”的能力。 后续，“骁鸿”将用于验证国盾量子自主研制的千比特测控系统，并计划通过“国盾量子计算云平台”、中电信量子集团“天衍”量子计算云平台，向全球开放。 2、超导量子计算机“大脑” 目前，超导量子计算是业界公认的量子计算技术路线，也是量子计算机的一种，但运算速度更快。从产业链环节来讲，超导量子计算技术体系中，包含硬件、芯片、操作系统3个关键点。 其中，超导量子芯片被称为超导量子计算机的“大脑”，能够以极高的效率执行超复杂的计算任务。另外一个重要的系统，即测控系统，被看作是量子世界的指挥官，负责精确操控和测量微小的量子比特。 公开资料显示，超导量子芯片，是一种基于超导材料制成的量子计算设备。与传统芯片不同，这是一种基于量子力学原理运行，利用量子叠加和量子纠缠等现象，采用量子比特（qubit）作为信息存储和处理单元，从而实现量子计算的芯片。 值得关注的是，量子计算优于经典计算，关键就在于量子比特可以在0和1之间的现行组合中存在，处于叠加态，也就使得在同一时间内，量子比特可以同时表示多个状态。这使得量子计算在并行处理和搜索问题时具备优势。 从生产难点角度上看，超导量子芯片除了一般芯片的难点之外，还需要考虑多个方面的挑战，比如量子芯片设计比传统计算机芯片更为复杂，材料选择和制造工艺上也有所限制，量子比特一致性及稳定性难以控制，以及测量和控制技术需要跟上新技术的变化，提高量子芯片的性能和可靠性。 其中，该类芯片需要用到的是高质量的超导材料，如铝、铜、铌等。超导材料的特性在于当温度降至某一临界温度以下时，电阻为零，电流可以无损耗地流动。利用这一特性，超导量子芯片实现了量子比特的高效操作和稳定存储。 此外，关于国际上超导材料的动态：据了解，2023年3月美国物理学会上来自罗切斯特大学的科学家迪亚斯宣布发现室温超导材料；同年7月，韩国的科研团队发表论文表示，其在实验室里实现了室温超导，在室温条件下，能实现电阻为零。零电阻意味着不会发热，形成的磁场也就特别稳定。 3、国产超导量子计算屡获突破 近年，超导量子计算得到了很大的发展，中国先后构建了62比特超导量子计算原型机“祖冲之号”和66比特的“祖冲之二号”，在超导量子体系实现“量子计算优越性”。除了上述“骁鸿”超导量子计算芯片的发布，国产超导量子计算已多次冲破关卡。 2023年11月，中国深圳企业量旋科技（SpinQ）成功将自主研发、设计、封装、测试的超导量子芯片交付给了中东的科研机构。据悉，2023年4月，量旋科技对外发布了超导量子芯片“量旋少微”，该芯片是全球为数不多标准化、量产型的超导量子芯片产品。 根据介绍，在完整的超导量子芯片生产线保障之下，“量旋少微”的退相干时间T1，达到了业内领先的10~100微秒，更长的T1可以保证更多的门操作，也能提高逻辑门保真度的上限。此外，“量旋少微”能够执行数十纳秒量级的单双比特门操作，并且能够实现99.9%以上的单比特门保真度和98%以上的双比特门保真度。 2024年1月，量子计算芯片安徽省重点实验室、安徽省量子计算工程研究中心联合发布了中国第三代自主超导量子芯片——“悟空芯”(夸父KF C72-300)。该芯片采用了72个计算量子比特的设计方案，还包含126个耦合器量子比特，共有198个量子比特，其实际运行状态下的比特弛豫时间T1≥15.3μs，退相干时间T2≥2.25μs。与前两代量子芯片相比，第三代超导量子芯片具有更高的相干时间，性能上有显著提升。 该超导量子芯片已在中国第三代自主超导量子计算机“本源悟空”上运行，能够实现量子叠加和纠缠等特性。量子计算芯片安徽省重点实验室副主任贾志龙表示，“悟空芯”以及“本源悟空”量子计算机的发布，意味着中国超导量子计算机制造能力从小规模开始进入中等规模阶段，具备了自主生产一定中等规模可扩展的量子计算机芯片和系统的能力。 2月下旬，安徽省量子信息工程技术研究中心及科大国盾量子技术股份有限公司联合发布消息，国产稀释制冷机ez-QFridge在交付客户后完成性能测试。 结果显示，该设备实际运行指标达同类产品国际主流水平，成为国内首款可商用可量产的超导量子计算机用稀释制冷机。稀释制冷机是构建超导量子计算机的关键核心设备，可为超导量子计算芯片提供接近绝对零度的超低温环境。 查看详细>>

几个世纪以来，人们一直知道光在某些情况下表现出类似波的行为。当光穿过某些材料时，它们能够改变光波的偏振（即振荡方向）。光通信网络的核心部件“光隔离器”或“光二极管”就是利用了这种特性。这种元件允许光向一个方向传播，但会阻挡另一个方向的所有光。 图注二维半导体中的法拉第效应 在最近的一项研究中，德国和印度的物理学家表明，在适合芯片使用的小磁场下，二硒化钨等超薄二维材料可以将某些波长的可见光的偏振旋转几度。来自德国明斯特大学（University of Münster）和印度浦那印度科学教育与研究所（IISER）的科学家们在《自然-通讯》（Nature Communications）杂志上发表了他们的研究成果。 传统光学隔离器的问题之一是体积相当大，尺寸在几毫米到几厘米之间。因此，研究人员还无法在芯片上制造出可与日常硅基电子技术相媲美的微型集成光学系统。目前的集成光学芯片上只有几百个元件。 相比之下，计算机处理器芯片包含数十亿个开关元件。因此，德国和印度团队的研究工作在开发微型光隔离器方面向前迈出了一步。研究人员使用的二维材料只有几个原子层厚，因此比人的头发还要细十万倍。 明斯特大学的Rudolf Bratschitsch教授说：“未来，二维材料可能成为光隔离器的核心，并实现当今光学和未来量子光学计算与通信技术的片上集成。” 来自IISER的Ashish Arora教授补充说：“即使是光学隔离器所需的笨重磁铁，也可以用原子级薄型二维磁铁代替。这将大大缩小光子集成电路的尺寸。” 研究小组破译了导致他们发现的效应的机制：二维半导体中的结合电子-空穴对，即所谓的激子，在超薄材料置于小磁场中时，会使光的偏振发生强烈旋转。 Arora称：“在二维材料上进行如此灵敏的实验并不容易，因为样品面积非常小。科学家们不得不开发出一种新的测量技术，其速度比以前的方法快1000倍左右。” 查看详细>>