三篇Nature！中大、中国科大、中科院生物物理所

导读

7月12日，来自中山大学、中国科学技术大学、中国科学院生物物理研究所的研究团队，分别在《自然》杂志（Nature）上发表研究成果。

从0到1重大突破！中山大学王猛团队发现镍基高温超导体

北京时间7月12日，《自然》杂志（Nature）刊登中山大学王猛教授团队主导的科学成果：首次发现液氮温区镍氧化物超导体。这是中国科学家在全球率先发现的全新高温超导体系，是人类目前发现的第二种液氮温区非常规超导材料，是基础研究领域“从0到1”的突破，将有望推动破解高温超导机理，使设计和预测高温超导材料成为可能，实现更广泛更大规模的产业化应用。

王猛教授展示镍氧化物La3Ni2O7单晶

本工作中报道的La3Ni2O7单晶样品中Ni的平均价态为2.5价，偏离Ni的稳定价态正2价，生长条件极为困难，氧压范围窄。研究团队通过两年多的时间摸索出生长条件，在国际上率先报道了单晶样品的详细物理性质,发现其中可能存在电荷密度波序的实验证据（见图1）[Sci. China-PMA.66,217411(2023)]。

图1. La3Ni2O7单晶样品常压下的电阻、磁化率、比热及磁化强度随磁场变化关系。数据显示在110K和153K存在两个可能的相变温度。

随后团队对La3Ni2O7单晶样品开展了百万大气压下的电输运性质研究。通过电阻发现在80K左右有明显的电阻下降，80K以上存在线性电阻（见图2a）。通过改变传压介质、改进高压测试方法，在电阻上看到显著的超导转变证据，包括明显的电阻下降、转变温度以下电阻出现平台、转变温度以上呈现线性（见图2b）。以上电阻行为均与铜氧化物超导电性高度相似，基本确定了零电阻效应。实验中低温仍然存在剩余电阻，可能与传压介质导致的压力不均匀有关。

图2. La3Ni2O7单晶样品高压下的电阻、抗磁性及超导上临界磁场拟合。

为了测量超导电性的另一个基本性质——迈斯纳效应，王猛教授研究团队与华南理工大学唐玲云、毛忠泉老师合作，在华南理工大学高压研究平台测量到了抗磁信号（见图2c）。结合电阻和磁化率测量，研究团队在实验上确认了镍氧化物压力下存在约80K的高温超导电性。本工作还在程金光研究员团队协助下在中国科学院物理研究所综合极端条件实验装置开展了14GPa以下的磁化率测量。La3Ni2O7中Ni的价态为正2.5价，远离人们此前认为容易出现超导电性的正1价。La3Ni2O7单晶样品中发现超过液氮温度的高温超导电性完全超出此前理论预期，是一个全新的高温超导材料。

图3. La3Ni2O7高压下的同步辐射测量及结构分析。

王猛教授团队在北京同步辐射装置高压实验站开展了压力下的结构研究，发现超导电性出现的压力对应一个结构相变。由于X射线对氧离子并不敏感，无法准确确定相变后的结构。通过实验分析并结合姚道新教授团队对不同结构和压力下进行的焓的计算，提出La3Ni2O7相变时对应空间群由Amam到Fmmm的转变、在c方向Ni-O-Ni键由168°转变为180°（见图3c、3f）。美国亚利桑那州立大学韩艺丰博士参与了结构精修工作。

姚道新教授和博士研究生胡训武利用密度泛函理论对结构相变前后的电子能带结构进行了详细计算，发现在低压下（相变前）Ni的dx2-y2轨道电子能带穿过费米面，高压下（相变后）dz2电子能带上移，触碰费米面（见图4），影响超导特性的主要是Ni的dx2-y2和dz2两个轨道，以及O的p轨道。

图4. La3Ni2O7电子能带结构计算及电子成键和占据状态示意图。

清华大学张广铭教授在理论上指出由于La3Ni2O7独特的双Ni-O层结构，在c方向Ni-O-Ni形成了成键态(bonding)和反键态(anti-bonding)，分别为满占据态和空占据态。而面内起主要贡献的dx2-y2轨道近似为四分之一占据态（见图4）。在压力下，dz2对应的成键态能带伴随结构相变，从费米面以下上升到费米面——即σ键金属化，与超导电性发生直接相关。

王猛教授团队开组会

本工作审稿阶段在科研论文预印平台arXiv公布后迅速受到超导领域研究人员广泛关注，在一个月左右的时间里已有十余篇理论和实验工作相继公布。镍氧化物高温超导体的发现无疑会推动高温超导机理的发展以及高温超导新材料的出现。

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

刷新世界纪录！中国科大成功实现最大规模的51比特量子纠缠态制备

中国科学技术大学中国科学院量子信息与量子科技创新研究院潘建伟、朱晓波、彭承志等组成的研究团队与北京大学袁骁合作，成功实现了51个超导量子比特簇态制备和验证，刷新了所有量子系统中真纠缠比特数目的世界纪录，并首次实现了基于测量的变分量子算法的演示。该工作将各个量子系统中真纠缠比特数目的纪录由原先的24个大幅突破至51个，充分展示了超导量子计算体系优异的可扩展性，对于多体量子纠缠研究、大规模量子算法实现以及基于测量的量子计算具有重要意义。相关研究成果于7月12日在线发表在国际学术期刊《自然》杂志上。

量子纠缠是量子力学中最神秘也是最基础的性质之一，同时也是量子信息处理的核心资源，是量子计算加速效应的根本来源之一。多年以来，实现大规模的多量子比特纠缠一直是各国科学家奋力追求的目标。自1998年人们首次利用核磁共振系统实现3比特GHZ态的制备开始，真多体纠缠态的制备成为包括光子、离子阱、NV色心、中性原子及超导量子比特等各种物理系统规模化扩展的重要表征手段。其中，超导量子比特具有规模化拓展的优势，在近年来发展迅速。我国科学家在超导量子比特多体纠缠制备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比特的真纠缠态制备，不断刷新超导量子计算领域的纠缠比特数目纪录。

然而，更大规模的真纠缠态制备要求高连通性的量子系统、高保真的多比特量子门操作、以及高效准确的量子态保真度表征手段。高连通性保证了大规模量子态生成的可能性，避免了因缺陷和连通性不足限制量子态规模；通过高保真量子门才能够将量子比特连接起来形成高保真的多体量子纠缠态；而高效的量子态表征是克服随比特数指数级增长的量子态规模复杂度、进行量子态保真度准确估计的重要保证。这些要求对量子系统的性能、操控能力以及验证手段提出了很高的要求，使此前真纠缠比特的规模停留在约20个量子比特的水平。

图 1 量子真纠缠态比特数目的发展历史。

研究团队在前期构建的“祖冲之二号”超导量子计算原型机的基础上，进一步将并行多比特量子门的保真度提高到99.05%、读取精度提高到95.09%，并结合研究团队所提出的大规模量子态保真度验证判定方案，成功实现了51比特簇态制备和验证。最终51比特一维簇态保真度达到0.637±0.030，超过0.5纠缠判定阈值13个标准差。这一结果将各个量子系统中真纠缠比特数目的纪录由原先的24个大幅突破至51个，充分展示了超导量子计算体系优异的可扩展性。在此基础上，研究团队通过结合基于测量的变分量子本征求解器，开展了对于小规模的扰动平面码的本征能量的求解，首次实现了基于测量的变分量子算法，为基于测量的量子计算方案走向实用奠定了基础。

图2 利用“祖冲之二号”完成的51比特一维簇态制备的线路及量子态保真度结果。

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

中国科学院生物物理研究所薛愿超团队揭示基因组重复序列Alu调控转录新机制

2023年7月12日，中国科学院生物物理研究所薛愿超团队在《Nature》杂志在线发表了题为"Complementary Alu sequences mediate enhancer-promoter selectivity"的研究论文。

转录调控在维持细胞功能和正常发育过程中起着关键作用。其中，增强子（enhancer）作为调控基因转录的重要元件，往往需要通过远距离染色质环化与目标启动子（promoter）相互作用，从而决定基因的时空表达特异性。这一过程不仅参与了细胞命运的决定，还在多种疾病的发生发展中扮演着重要角色。增强子能够精确地选择需要激活的目标启动子，以准确调节特定基因的转录时间和转录水平。然而，增强子和启动子配对选择的特异性是如何实现的依然是未解之谜。

为了解决这一关键科学问题，薛愿超团队利用实验室之前开发的RNA原位构象测序技术RIC-seq（Nature, 2020），系统捕获了增强子RNA（eRNA）和启动子来源的非编码RNA（uaRNA或 PROMPTs）之间的相互作用，并构建了高分辨率增强子-启动子RNA互作（EPRI）图谱。与传统的染色质构象捕获技术如Hi-C、HiChIP、ChIA-PET等不同，RIC-seq技术可直接鉴定增强子和启动子非编码RNA之间的空间互作位点，并据此推导增强子-启动子的链接网络，因此在解析增强子-启动子互作的序列特征方面具有更高的分辨率。

基于EPRI图谱，该研究团队发现增强子与启动子之间的配对选择特异性受到基因组重复序列Alu的调控。Alu序列是哺乳动物尤其是人类基因组中广泛分布的重复元件。研究人员发现，增强子和启动子RNA中的Alu序列充当了增强子-启动子之间相互交流的中介，并通过多种实验证明增强子RNA和启动子RNA中反向互补的Alu序列可通过碱基配对形成RNA双链，从而决定了增强子-启动子的配对选择特异性。这一发现不仅揭示了Alu在基因表达调控中的新机制，还为理解增强子和启动子非编码RNA在转录激活的功能提供了新视角。

此外，研究人员通过将非编码区突变映射到增强子-启动子RNA互作（EPRI）图谱，构建了"突变-功能"图谱，系统地注释了非编码突变（尤其是Alu元件的删除和插入）影响的靶标基因，为理解疾病发生提供了宝贵的资源。研究团队进一步发现，位于Alu元件中的突变可能会影响众多蛋白质编码基因的转录，从而对细胞命运产生重要影响。如癌基因PTK2增强子中的多态性Alu元件删除能够显著降低癌细胞增殖和侵袭能力，这为Alu元件突变与癌症易感性之间的关联提供了重要线索。

"增强子-启动子互作图谱"以及"突变-功能图谱"构建

该研究工作从非编码RNA的角度上揭示了增强子-启动子配对选择特异性的原则，并将非编码风险变异与其分子功能联系了起来，为我们深入理解基因转录调控的分子机制，以及疾病发生发展提供了新范式。

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

来源：中山大学、中国科学技术大学、中国科学院生物物理研究所