利用光子鏈路控制并讀出超導(dǎo)量子比特

實(shí)現(xiàn)通用量子計(jì)算機(jī)的革命性承諾，需要擁有數(shù)百萬(wàn)量子比特的處理器。在超導(dǎo)量子處理器中，每個(gè)量子比特都用微波信號(hào)線單獨(dú)處理，這些微波信號(hào)線將室溫電子設(shè)備連接到量子電路的低溫環(huán)境。每個(gè)量子比特的多根同軸線所帶來(lái)的復(fù)雜性和熱負(fù)荷將處理器的最大可能規(guī)模限制在幾千個(gè)量子比特。

研究組介紹了一種光子鏈路，使用光纖將調(diào)制的激光從室溫引導(dǎo)到低溫光電探測(cè)器，能夠在毫開(kāi)爾文溫度下直接傳輸散粒噪聲極限的微波信號(hào)。通過(guò)演示超導(dǎo)量子比特的高保真控制和讀出，研究組證明這種光子鏈路可以滿(mǎn)足超導(dǎo)量子信息處理的嚴(yán)格要求。

利用光纖的低熱導(dǎo)率和大固有帶寬，可以實(shí)現(xiàn)相干微波控制脈沖的高效、大規(guī)模的多路傳輸，為實(shí)現(xiàn)百萬(wàn)量子比特的通用量子計(jì)算機(jī)提供了途徑。

相關(guān)論文信息：

https://doi.org/10.1038/s41586-021-03268-x

用納米顆粒超晶格組裝宏觀材料

納米顆粒組裝被認(rèn)為是一種規(guī)劃材料層次結(jié)構(gòu)的理想方法——通過(guò)選擇納米尺度的組件，自下而上構(gòu)建整個(gè)材料。多尺度結(jié)構(gòu)控制是非常可取的，化學(xué)成分、納米尺度排序、微觀結(jié)構(gòu)和宏觀形態(tài)都會(huì)影響物理性能。

然而，通常決定納米顆粒排序的化學(xué)相互作用本身，并不能提供任何手段在更大的長(zhǎng)度尺度上操縱結(jié)構(gòu)。因此，基于納米顆粒材料的研發(fā)需要在不犧牲其自組裝的納米尺度排列情況下，采用更優(yōu)的加工策略以定制微觀和宏觀結(jié)構(gòu)。

研究組展示了快速組裝克級(jí)數(shù)量的多面納米顆粒超晶格晶體的方法，這些納米顆粒可以進(jìn)一步形成宏觀物體，其方式類(lèi)似于塊狀固體的燒結(jié)。這種方法的關(guān)鍵是控制納米顆粒組裝的化學(xué)相互作用在后續(xù)加工過(guò)程中保持活躍，這使得顆粒的局部納米級(jí)有序性在形成宏觀材料時(shí)得以保持。

大塊固體的納米和微觀結(jié)構(gòu)可以根據(jù)超晶格晶粒的尺寸、化學(xué)組成和晶體對(duì)稱(chēng)性進(jìn)行調(diào)節(jié)，微觀和宏觀結(jié)構(gòu)可以通過(guò)后續(xù)的處理步驟進(jìn)行控制。因此，這項(xiàng)工作提供了一種通用方法，可同時(shí)控制從分子到宏觀長(zhǎng)度尺度的結(jié)構(gòu)組織。

相關(guān)論文信息：

https://doi.org/10.1038/s41586-021-03355-z

夏季海洋上層分層和混合層深度增加

世界海洋的表層混合層通過(guò)控制大氣和海洋內(nèi)部的熱量和碳交換調(diào)節(jié)全球氣候，還通過(guò)承載大部分海洋初級(jí)生產(chǎn)力并為深海層提供充氧通道塑造海洋生態(tài)系統(tǒng)。盡管有這些重要的氣候和生命支持作用，在全球氣候變化時(shí)期，混合層可能發(fā)生的變化仍然不確定。

研究組利用海洋觀測(cè)表明，從1970年到2018年，混合層底部的密度對(duì)比度增加，混合層本身變得更深。使用基于物理學(xué)的上層海洋穩(wěn)定性定義，遵循全球海洋的不同動(dòng)力機(jī)制，研究組發(fā)現(xiàn)夏季密度對(duì)比度每10年增加8.9±2.7%（每10年增加10-6~10-5平方秒，視區(qū)域而定），是先前估計(jì)的6倍以上。

先前的研究表明，上層海洋分層程度較高時(shí)，混合層較薄，但研究組發(fā)現(xiàn)夏季混合層每10年加深2.9±0.5%，或加深幾米（通常為5~10米，視區(qū)域而定）。詳細(xì)機(jī)制很難解釋?zhuān)旌蠈拥耐瑫r(shí)分層和加深與地表變暖和高緯度地表更新相關(guān)的穩(wěn)定性增加有關(guān)，并伴隨著風(fēng)驅(qū)動(dòng)的上層海洋湍流增強(qiáng)。

該發(fā)現(xiàn)基于一個(gè)復(fù)雜的數(shù)據(jù)集，而不完全覆蓋的范圍很廣。盡管研究結(jié)果在廣泛的敏感性分析范圍內(nèi)是穩(wěn)健的，但重大不確定性仍然存在，例如1970至2018年早期與稀疏覆蓋相關(guān)的不確定性。

盡管如此，該工作呼吁重新考慮海洋初級(jí)生產(chǎn)力持續(xù)變化的驅(qū)動(dòng)因素，并揭示過(guò)去50年來(lái)世界上層海洋的嚴(yán)峻變化。

相關(guān)論文信息：

https://doi.org/10.1038/s41586-021-03303-x

（未玖編譯）