1 Nature:光子量子位的无损检测
实验量子信息的最大挑战之一是维持量子比特的脆弱叠加状态。至少原则上,材料量子位载体作为存储器可以实现长寿命,但对于传播的光子(由于吸收、衍射或散射而迅速丢失)则不行。可以使用无损光子量子位检测器来减轻损失问题,该检测器可在不破坏编码量子位的情况下探测光子。在这里,德国罗伯特博世股份有限公司Dominik Niemietz演示了一个基于两个交叉光纤光学谐振器中单个原子的检测器,其中一个用于量子位不敏感的原子-光子耦合,另一个用于原子状态检测。最终实现了79±3%的量子位存活率和31±1%的光子存活概率的无损检测效率,并以96.2±0.3%的保真度保存了量子位信息。此外,作者证明,在当前的参数下,它可以比以前的方法提高长距离纠缠和量子态分布的速率和保真度,通过量子位放大提供资源优化,并使探测无漏洞贝尔测试成为可能。
原文链接:https://doi.org/10.1038/s41586-021-03290-z
2 Nature:四量子位锗量子处理器
利用先进半导体制造技术构建量子电路的前景使量子点成为量子信息处理的一个有吸引力的平台。对各种材料的广泛研究已经证明了砷化镓、硅和锗中的双量子逻辑。然而,在半导体器件中互连更多数量的量子位仍然是一个挑战。在这里,荷兰代尔夫特理工大学Nico W. Hendrickx、Menno Veldhorst演示了一个基于锗量子点中空穴自旋的四量子位量子处理器。此外,作者定义了一个二乘二阵列中的量子点,并获得了沿两个方向的可控耦合。量子位逻辑是全电子实现的,交换相互作用可以脉冲地自由编程一个量子位、两个量子位、三个量子位和四个量子位的操作,从而形成一个紧凑和高度连接的电路。作为演示,执行一个量子逻辑电路,该电路生成一个四量子位的Greenberger-Horne-Zeilinger态,并通过结合动力学解耦获得相干演化。这些结果是朝着使用量子点的量子误差校正和量子模拟迈出的一步。
原文链接:https://doi.org/10.1038/s41586-021-03332-6
3 Nature:纳米超晶格组装的宏观材料
纳米颗粒组装被认为是一种理想的方法,通过选择纳米尺度的组件,从下到上构建整个材料,以规划材料的层次结构。由于化学成分、纳米有序化、微观结构和宏观形态都会影响物理性能,因此多尺度结构控制是非常必要的。然而,通常决定纳米颗粒有序性的化学相互作用并不能在更大的长度尺度上提供任何操纵结构的手段。因此,基于纳米颗粒的材料的发展需要在不牺牲其自组装纳米尺度排列的情况下调整微观和宏观结构的加工策略。在这里,美国麻省理工学院Robert J. Macfarlane展示了快速组装以克为单位的多面纳米颗粒超晶格微晶的方法,这些晶体可以以类似于大块固体烧结的方式进一步成形为宏观物体。该方法的关键进展是,控制纳米颗粒组装的化学相互作用在后续处理步骤中保持活跃,这使得在形成宏观材料时,可以保留颗粒的局部纳米级有序性。可以根据超晶格微晶的尺寸、化学组成和晶体对称性来调节散装固体的纳米结构和微观结构,并且可以通过随后的加工步骤来控制微观结构和宏观结构。因此,这项工作提供了一种通用的方法,可以同时控制分子到宏观长度尺度上的结构组织。
原文链接:https://doi.org/10.1038/s41586-021-03355-z
4 Science:碳捕集迈向实用化
风车和太阳能电池板的发展速度很快,但还不足以抵御最严重的气候变化。联合国气候专家说,要做到这一点,还需要从成千上万的化石燃料发电厂和工业烟囱中捕获二氧化碳(CO2),这些工厂和烟囱可能会在未来几年里持续燃烧。如今最流行的方法是使用溶解在水中的胺类化学物质来捕获CO2,这种方法对于广泛使用来说太昂贵了。但是研究人员现在正在开发新一代的化学CO2捕集器,包括一种有机溶剂,这个月的研究表明这种溶剂可以降低近20%的成本。当现有的美国税收抵免被加入到这一组合中时,碳捕获已经接近商业可行性。
原文链接:https://science.sciencemag.org/content/371/6536/1300#login-pane
5 Science:双环氮杂芳烃与烯烃的光化学分子间脱芳环加成反应
脱芳环加成反应是将平面芳烃转化为三维结构的理想方法,在药物化学中引起了越来越多的兴趣。喹啉、异喹啉和喹唑啉虽然含有潜在的二烯亚基和烯烃亚基,但由于芳香族体系固有的低反应活性和选择性挑战,很少应用于环加成反应。在这里,德国明斯特大学Frank Glorius、美国加利福尼亚大学洛杉矶分校Kendall N. Houk、美国印第安纳大学M. Kevin Brown公开了这些双环氮杂芳烃与大量电子多样烯烃的能量转移介导的、高度区域选择性和非对映选择性的分子间[4 + 2]脱芳环加成反应。这种方法绕过了一般的反应性和选择性问题,从而提供了以前难以获得的各种桥联多环化合物。此外,密度泛函理论计算研究阐明了观察到的区域选择性和非对映选择性的机制和起源。
原文链接:https://science.sciencemag.org/content/371/6536/1338
6 Science:控制被驱动的里德堡原子阵列中的量子多体动力学
多体系统中非平衡量子动力学的控制具有挑战性,因为相互作用通常会导致热化和整个希尔伯特空间的混沌传播。在此,美国哈佛大学M. D. Lukin研究了由3到200个强相互作用量子位组成的多体系统在一维和二维空间中快速猝灭后的非平衡动力学。利用基于里德堡原子阵列的可编程量子模拟器,作者证明了与量子多体疤痕相关的相干回复可以通过周期驱动来稳定,从而产生类似于离散时间晶体阶的强次谐波响应。此外,作者绘制了这一新兴现象的希尔伯特空间动力学、几何依赖性、相图和系统尺寸依赖性,展示了在多体系统中引导复杂动力学的新方法,并在量子信息科学中实现了潜在的应用。
原文链接:https://science.sciencemag.org/content/371/6536/1355
7 Science:在室温和高湿度下稳定黑相甲酸钙钛矿的形成
黑相碘化铅(α-FAPbI3)钙钛矿在各种环境条件下的稳定化被认为是太阳能电池的必要条件。然而,对于α-FAPbI3的温度敏感性和加工过程中对湿度的严格控制仍然存在挑战。在这里,基于从离子液体甲酸甲胺生长的垂直排列的碘化铅薄膜,南京工业大学黄维院士和陈永华教授报道了一种稳定的α-FAPbI3的合成,无论湿度和温度。垂直生长的结构具有许多纳米级的离子通道,有助于甲脒碘化物渗透到碘化铅薄膜中,快速而稳定地转化为α-FAPbI3。因此,获得了能量转换效率为24.1%的太阳能电池。未封装的电池在85°C和持续的光应力下,分别保持其初始效率的80%和90%达500小时。
原文链接:https://science.sciencemag.org/content/371/6536/1359
8 Science:表面声子极化激元的三维矢量成像
表面声子极化激元(SPhPs)是出现在纳米材料表面的耦合光子声子激发。尽管它们强烈影响纳米材料的光学和热学行为,但还没有一种技术能够揭示其电磁态的完整三维矢量图。在此,法国巴黎萨克莱大学Mathieu Kociak、奥地利格拉茨工业大学Gerald Kothleitner利用扫描透射电子显微镜中高度单色化的电子束,观察到纳米氧化镁立方体的SPhP特征随束位置、能量损失和倾角的变化。SPhPs的响应是用本征模来描述的,用于对断层物体的声子表面电磁场进行层析成像。此类三维信息有望洞悉纳米级物理现象,并且对于设计和优化令人着迷的新用途的纳米结构具有不可估量的价值。
原文链接:https://science.sciencemag.org/content/371/6536/1364
本期供稿:月轮
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