一周前沿科技盘点56丨当“侯世达蝴蝶”化身“庄子之蝶”；“人造太阳”放电300余次零失误，背后功臣是……

全超导托卡马克核聚变实验装置（EAST）被称为我国的“人造太阳”， 随着“人造太阳”冉冉升起，“灵枢”系统也逐步从幕后走向台前。计算机科学家、认知科学家侯世达因写出普利策奖获奖科普奇书《哥德尔、艾舍尔、巴赫：集异璧之大成》而广受赞誉。但很多人不知道的是，早在1975年，侯世达就发现了著名的“侯世达蝴蝶”的分形结构。而今，“侯世达蝴蝶” 翩跹而至，化身庄子之蝶，在量子计算领域迎来了属于它的回响。

基于国际科技创新中心网络服务平台科创热榜每日榜单形成的一周科技记忆，我们推出《一周前沿科技盘点》专栏。今天，为大家带来第五十六期。

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《Science》丨高维量子纠缠自修复为大规模量子网络开辟新路径

量子网络芯片的晶圆实物图和线路示意图

量子网络是量子通信、时频同步、分布式量子计算和量子传感等领域的重要基础支撑。大规模量子网络的构建关键在于如何实现大规模量子节点之间的复杂量子纠缠态分发与传输。其挑战在于，量子网络架构以及量子硬件必须具备强扩展性，同时能够有力地支持大容量量子通道中高维纠缠量子态的高保真相干传输。此前，基于波分复用的量子纠缠网络架构方案已有报道，有望用于大规模量子纠缠的网络分发，但尚缺少可扩展量子硬件的支撑。而集成量子光学芯片具有高可控性、强可编程性、小尺寸和低成本等优势，是实现量子信息处理、计算和通信等功能的优异平台，也被认为是实现大规模量子网络的关键硬件基础。

面向未来大规模量子网络需求，亟需发展高性能芯片化量子节点技术，实现量子态产生、编码、解码、复用、操控、探测和存储等功能的一体化集成，保证最终仍具备量子态高保真度，并使之具备大规模扩展能力。这其中，利用具有高信息容量和强抗噪能力的高维量子态进行量子信息的传输与处理备受关注。高维量子态是利用多模光波导/光纤的横向模式等新自由度进行编码，因此具有高通信容量、与经典光纤通信兼容等突出优点。但该模式受外界环境扰动影响，令高维量子态的高保真相干传输受到限制。

针对上述技术痛点，近日，北京大学、浙江大学、中国科学院微电子所、香港中文大学、香港科技大学的研究团队携手合作，发展了硅基光量子芯片晶圆级制造、片上多维混合复用量子调控等关键技术及核心器件，创造性提出一种高维量子纠缠自修复方法，可快速恢复在复杂介质传输中已退化的高维纠缠，最终实现了多芯片高维纠缠量子网络，为进一步构建大规模、可实用化量子网络开辟新路径。

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《Angew. Chem. Int. Ed》丨5/7/5、7/6/7……他们总结出了半导体性能提升的秘诀

左图：含有两组五/七/五环系的新型二维共轭分子；右图：含有七/六/七环系的一维醌式并苯类似物

新一代半导体材料是产业变革的基石。如何充分挖掘半导体材料潜力、放大性能优势是科学家孜孜以求的目标。因此，深入理解材料物性优化的基本技术方法和路径就尤为重要了。

近日，中国科学院化学研究所张德清课题组通过五元环和七元环之间的“互补效应”，合成了一系列含有5/7/5环系的二维大共轭分子二薁并玉红省（DAR）。该分子在可见光区具有8重吸收特征，具有较高的迁移率，是潜在的半导体传输材料。研究团队还合成了一类含醌式7/6/7环系的并七苯类似物（BHHQ），通过取代基策略和结晶条件诱导策略实现了分子的构型从波浪（wavy）到弯曲（curved）的调控和互变。此外，他们通过碳氢键活化反应，将五氟苯基引入蒽和苝中，合成了兼具高发光效率和高迁移率的材料。他们将3,9-二五氟苯基苝作为活性层，成功构筑了有机发光场效应晶体管（OLETs）器件，其外量子效率达到2.2%，电流密度达到145 kA cm-2，是所报道单组分OLETs器件中性能最好的器件之一。

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“人造太阳”放电300余次零失误，背后功臣是……

实验成功后的全超导托卡马克核聚变实验装置（EAST）控制大厅

4月12日，我国“人造太阳”——全超导托卡马克核聚变实验装置（EAST）成功实现稳态高约束模式等离子体运行403秒，创造了新的世界纪录。随着“人造太阳”冉冉升起，“灵枢”系统也逐步从幕后走向台前。

“灵枢”是由中国科学院合肥物质科学研究院等离子体物理研究所研制的、具有完全知识产权、面向聚变堆的等离子体控制系统。“灵枢”的原型系统于2023年8月2日正式投入“东方超环”EAST大科学装置等离子体运行，具有16个实时控制进程，其中包括自主研发的先进并行等离子体平衡反演程序HPFIT进程。

在迄今为止的总共300余次的实际等离子体放电中，“灵枢”实现了稳定的等离子体电流、密度、位置、位形和环电压控制，最快控制周期可达50微秒，运行零失误。等离子体电流控制误差小于1%，位形控制精度达到毫米级，并利用超声分子束实现了稳定的等离子体密度反馈控制，整体控制精度优于原EAST等离子体控制系统。

8月11日，该项目通过了课题审核验收。“灵枢”在EAST上的成功应用，标志着我国在托卡马克装置等离子体控制系统上成功实现自主可控，为我国聚变堆运行奠定了坚实的控制基础。

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《Physical Review Letters》丨当“侯世达蝴蝶”化身“庄子之蝶”

观测“侯世达蝴蝶”(Hofstadter butterfly)能谱

计算机科学家、认知科学家侯世达( Douglas Hofstadter )因写出普利策奖获奖科普奇书《哥德尔、艾舍尔、巴赫：集异璧之大成》而广受赞誉。很多人不知道的是，早在1975年，侯世达就发现了著名的“侯世达蝴蝶”的分形结构。而今，“侯世达蝴蝶” 翩跹而至，化身庄子之蝶，在量子计算领域迎来了属于它的回响。

近年来，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心Q03组范桁研究员、许凯副研究员、量子计算研究中心郑东宁研究员、相忠诚副主任工程师等通力合作，致力于超导量子计算、量子模拟和量子器件等方面的实验研究。他们开发了一款名为“庄子”、拥有43个量子比特的一维超导量子处理器。

随着算力需求的提升，量子计算机研制成为当下各国竞相角逐的焦点，未来市场对高性能芯片的需求也会越来越旺盛。提升超导量子比特性能、高精度相干操控更多量子比特、针对具体问题打造具有竞争力的超导量子计算解决方案则是重中之重。提起超导量子处理器，大家最熟悉的可能是“祖冲之号”，它采用的是二维布局。而“庄子”之所以被设计成一维布局，是因为该处理器专门用于从复杂的能带结构之中捕捉一维量子多体系统的实质性拓扑特征。

研究团队设计了多达41个量子比特的对角 (AAH)模型的各种实例，并应用动态光谱技术实验测量了 “侯世达蝴蝶”能谱，同时，使用Floquet工程构建了非对角AAH模型，直接测量其拓扑能带结构，并见证了边缘激发在量子行走过程中的局域化。利用体边对应关系，验证了无间隙相称AAH模型中拓扑零能边缘态的存在，这在先前的研究中从未被实验观测到。

此外，“庄子”量子处理器中有超40个量子比特，这足以让研究人员能够在一维量子多体系统复杂的能带结构中捕捉到其大量拓扑特征，包括：狄拉克点、能隙的闭合、奇偶量子比特数目之间的差异、边缘和体态之间的区别。该工作建立了一种通用的混合量子模拟方法来探索NISQ时代的量子拓扑系统。

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浮空农田观测首次试验，助推智慧农业前沿探索

棉花新品种审定区域示范花铃期与盛铃期田间性状表征实时监测

8月1日至20日，中国科学院空天信息创新研究院与新疆农垦科学院棉花研究所在新疆农垦科学院试验基地——农作物新品种区域示范地，联合开展了“浮空观测农田信息与农作物智慧管理” 首次试验。研究团队对玉米、小麦、大豆、棉花、向日葵等农作物，开展作物类别与品种识别、作物长势长相监测、作物栽培与耕作模式、农情等田间状况的实时在线浮空监测。

该试验周期为三年，将开展基于空天信息技术监测的典型作物生长全阶段测量、农作物病虫害防治监测、农作物全生育期实时监测及产量评估等研究内容，联合攻关当前农业“精准监测”关键技术难题，同时围绕“智慧农业”，开展智能获取技术、智慧管理技术等先进适用技术的示范与推广。