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与传统超导材料相比，高温超导体在温度高得多的条件下，承担着零电阻导的电。自从30多年前被发现以来，由于其在磁悬浮列车和长距离电线等技术上具有革命性的潜力，使得人们对高温超导体产生了极大的兴趣，但是科学家们仍然不明白高温超导体的原理是什么。其中一个谜团是，电荷密度波（在材料中运行的电子密度高低的静态条纹）已经在高温超导体的主要家族之一铜基铜酸盐中发现。但这些电荷条纹是增强超导性，抑制超导性，还是起到了其他作用？在独立研究中，两个研究小组报告了在理解电荷条纹如何与超导相互作用方面取得的重要进展。这两项研究都是在美国能源部SLAC国家加速器实验室用x射线进行的。在发表于《科学进展》期刊上的研究论文中，伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校(UIUC)研究人员利用SLAC的Linac相干光源(LCLS) x射线自由电子激光器，观察了铜超导体中电荷密度波的波动。用传统激光的脉冲干扰电荷密度波，然后使用x射线共振非弹性散射(RIXS)，观察这些波在几万亿分之一秒内的恢复，这个恢复过程遵循一个普遍的动态缩放定律：在所有的尺度上都是相同的，就像分形图案在放大或缩小时看起来是一样的。有了LCLS，科学家们第一次能够精确地测量电荷密度波波动的距离和速度。令人惊讶的是，研究小组发现，波动并不像铃声或蹦床的弹跳；相反，它们更像是糖浆的缓慢扩散：一种在固体中从未见过的液晶行为的量子模拟。美国伊利诺伊大学香槟分校彼得·阿巴蒙特教授团队的博士后研究员马泰奥·米特拉诺(Matteo Mitrano)说：我们在LCLS的实验建立了一种研究电荷密度波波动的新方法，这可能促使对高温超导体如何工作的新理解产生。这个团队还包括来自斯坦福大学、美国国家标准与技术研究所和布鲁克海文国家实验室的研究人员。发表在《自然通讯》上的另一项研究，利用斯坦福大学同步加速器辐射光源的x射线，发现了两种电荷密度波的排列方式，在这些波与高温超导之间建立了新的联系。在SLAC科学家李俊锡(Jun-Sik Lee)的带领下，研究小组利用共振软x射线散射(RSXS)来观察温度如何影响铜超导体中的电荷密度波。这解决了之前实验数据的不匹配问题，并为全面绘制这些奇异超导材料中电子行为的图谱开辟了新道路。相信， 探索 新的或隐藏排列方式，以及它们相互交织的现象，将有助于我们对铜酸盐高温超导性的理解，这将为研究人员设计和开发在更高温度下工作的新超导体提供信息。
目前有关高温超导磁悬浮的研究,主要集中在准静态宏观电磁特性上,包括悬浮力、导向力、刚度及力弛豫等。然而磁悬浮车在实际运行过程时,超导块材将不可避免经历不均匀的外磁场,会对超导体的悬浮性
拓扑超导是一类新的拓扑量子物态，其体态是有能隙的超导态，而边界上则存在无能隙的马约拉纳零能模。零维马约拉纳零能模具有非定域关联和非阿贝尔统计性质，可以对其进行编织操作，进而实现拓扑量子计算。因此近十年来，拓扑超导态的研究逐渐成为凝聚态物理的重要研究方向。
不同的对称群可以保护不同的拓扑物态，因此在各种对称群下对拓扑物态进行分类是发现新型拓扑物态的重要一步。最近 华中 科技 大学 研究团队（邹金雨博士、谢庆博士和徐刚教授）和 普林斯顿大学 宋志达博士在《国家科学评论》( National Science Review ，NSR) 发表研究论文， 提出了通过具有不同手征对称性本征值的马约拉纳零能模的相容性，来进行拓扑分类的新思路，并对一维定域磁群保护的超导量子线进行了系统研究，发现了新奇的拓扑超导态，以及局域在端点的马约拉纳零能模。
受定域磁群保护的一维超导线的拓扑分类
如上表所示，一维磁群独有的不改变格点位置的磁操作包括MxT、C2T、C4T、C6T。结合超导体系固有的粒子-空穴对称性P，可以给出手征对称性S。量子线端点的马约拉纳零能模也是手征对称性的本征态。通过判断零能模之间的相容关系，可以给出拓扑态的类型。
徐刚等发现：
在此基础上，作者构建了满足C4T的最小一维拓扑超导模型，计算其拓扑不变量，并数值和解析分析了其马约拉纳零能模。
(a)C4T不变的超导线。胞内同自旋耦合远大于自旋轨道耦合，因而一个元胞内四个态劈裂为反对称的简并态和对称简并态。为简单计，仅讨论反对称简并态。(b) 拓扑超导相图。(c) 拓扑超导态开边界时能谱，其中有四个马约拉纳零能模。
这类新奇的拓扑超导态拓宽了人们对拓扑超导的认识，为马约拉纳零能模的实现、奇异拓扑约瑟夫森效应等研究提供了新的思路。 该研究结果不仅丰富了一维拓扑超导态，还可通过铺陈、堆叠等方式构造二维及三维奇异拓扑超导体，实现无能隙的马约拉纳边界态或表面态。
最后，作者还讨论了在棋盘状反铁磁铁基超体中实现helical Z拓扑超导的可能性。
点击查看论文原文。
超导体的应用前景如下：迈斯纳效应使人们可以用此原理制造超导列车和超导船，由于这些交通工具将在悬浮无摩擦状态下运行，这将大大提高它们的速度和安静性，并有效减少机械磨损。另外利用超导悬浮还可制造无磨损轴承，将轴承转速提高到每分钟10万转以上。而超导材料的零电阻特性可以用来输电和制造大型磁体。超高压输电会有很大的损耗，而利用超导体则可最大限度地降低损耗。超导材料必须在一定的温度以下才会产生超导现象，这一温度称为临界温度。卡末林—昂内斯将汞冷却到才发现超导现象的，这一温度是一个极低的温度，无疑在这样的温度是不可能得到应用的。所以从超导现象发现的第一天起，科学家们就一直朝着室温超导而奋斗。到目前为止，科学家所发现的高温超导体主要有铜基高温超导材料和铁基高温超导材料等等。令我们感到自豪的是，我们中国科学家对这两种高温超导材料都做出了重大贡献，大大推动了超导研究的进展。
过渡金属原子的kagome晶格，为在几何受挫和非平凡能带拓扑存在的情况下，研究电子关联提供了一个激动人心的平台，并不断带来惊喜，在高鸿钧院士/汪自强教授《Nature》超导领域新发现后，来自美国波斯顿学院的Ilija Zeljkovic等研究者 同一天 报道了使用光谱成像扫描隧道显微镜发现一个新的kagome超导体CsV3Sb5中不同的对称破缺电子态作为温度的函数级联。相关论文以题为“Cascade of correlated electron states in a kagome superconductor CsV3Sb5”发表在Nature上。
论文链接：
由原子组成的量子固体排列在共享角三角形的晶格上(kagome晶格)是一个 探索 新的相关和拓扑电子现象的迷人游乐场。由于其固有的几何受挫，kagome系统预测具有一系列奇异的电子态，如键和电荷有序，自旋液相和手性超导等。到目前为止，大多数实验工作都集中在过渡金属kagome磁体上，例如Co3Sn2S2、FeSn和Fe3Sn2，其中不同形式的磁性主导了低温电子基态。在没有磁有序的情况下，电子关联在原则上有利于出现新的对称破缺电子态，但由于磁有序的趋势，这在许多现有的kagome材料中很难 探索 。
AV3Sb5 (A=K, Rb, Cs)，是最近发现的一类不呈现可分辨磁序的kagome金属。这类材料已经在非平凡的拓扑环境中显示出了不寻常的电子行为，比如巨大的异常霍尔响应，源自于巨大的贝里曲率，以及kagome系统中罕见的超导现象。理论表明，AV3Sb5的能带结构具有非平凡的拓扑不变量，并结合显现的超导性，在铁基高 T c超导体家族中与拓扑金属形成有趣的平行关系。由于费米能级附近的van Hove奇点和费米表面的准一维区域造成的态密度大，也为在kagome晶格上寻找难以捉摸的相关态提供了理想的场所。虽然理论预测了kagome晶格电子结构的空间对称破缺的许多可能性，但它们的实验实现一直具有挑战性。
在这里，研究者利用光谱成像扫描隧道显微镜(SI-STM)，在kagome超导体CsV3Sb5中发现了对称破缺相的级联与温度的函数关系，可检测为不同的电荷有序态和各向异性准粒子散射特征。这些相在正常状态下发展，并在超导 T c以下持续存在。实验证明，CsV3Sb5中的超导性，来自于本应破缺的旋转和平移对称的电子态，并与之共存。在远高于超导跃迁温度( T c~ K)的温度下，研究者揭示了一个具有2a0周期的三元电荷序，打破了晶格的平移对称性。当系统冷却到 T c时，研究者在费米能级上观察到一个显著的V型光谱缺口，并在超导跃变过程中持续破坏了六重旋转对称性。在微分电导图中，出现了额外的4a0单向电荷阶和强各向异性散射。后者可直接归因于钒kagome能带的轨道选择重正化。该实验揭示了可在kagome晶格上共存的复杂电子态，并提供了与高温超导体和扭曲双层石墨烯有趣的相似之处。
图1 表面表征。
图2 大尺度电子特性。
图3 低温下电荷有序。
图4 CsV3Sb5准粒子干涉(QPI)中旋转对称破缺的可视化研究。
未来的实验，应该通过更详细的温度、能量和掺杂相关的测量来解决不同相之间的竞争，同时也要寻找本征拓扑超导性和非平凡能带拓扑预计会出现的Majorana模式的证据。（文：水生）
超导技术的主体是超导材料，就是没有电阻、或电阻极小的导电材料，电能在流经过程中几乎不会损失。实现超导常须将导体下降至一定温度（起码零下一百多摄氏度），电阻才突然趋近于零。具有这种特性的材料称为超导材料。近年来，随看材料科学的发展，超导材料的性能不断优化，实现超导的临界温度在提高。 目前科学家虽已合成出在室温下具有超导性能的复合材料，但这还仅限于实验室中。至于它的应用前景（作用），具代表性的有以下几方面：（1）超导无电阻无损耗首先被想到用于长途输电线路中，但目前不可能，因为这不是一般的导线且需要降温。（2）接着被想到的是用于大容量的电气设备中，如超导大容量发电机，发电机线圈超导无电阻无损耗，发电效率极高，功率更大。 （3）还有就是应用到需要产生强磁的装置中，如磁力悬浮列车，核磁共振装置等。因为强磁的产生依赖于电磁线圈中的大电流。超导线圈就有超大电流，产生超强磁场。从实际出发，第（2）、（3）点才是今后超导技术应用的突破点。望采纳。
过渡金属原子的kagome晶格，为在几何受挫和非平凡能带拓扑存在的情况下，研究电子关联提供了一个激动人心的平台，并不断带来惊喜，在高鸿钧院士/汪自强教授《Nature》超导领域新发现后，来自美国波斯顿学院的Ilija Zeljkovic等研究者 同一天 报道了使用光谱成像扫描隧道显微镜发现一个新的kagome超导体CsV3Sb5中不同的对称破缺电子态作为温度的函数级联。相关论文以题为“Cascade of correlated electron states in a kagome superconductor CsV3Sb5”发表在Nature上。
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由原子组成的量子固体排列在共享角三角形的晶格上(kagome晶格)是一个 探索 新的相关和拓扑电子现象的迷人游乐场。由于其固有的几何受挫，kagome系统预测具有一系列奇异的电子态，如键和电荷有序，自旋液相和手性超导等。到目前为止，大多数实验工作都集中在过渡金属kagome磁体上，例如Co3Sn2S2、FeSn和Fe3Sn2，其中不同形式的磁性主导了低温电子基态。在没有磁有序的情况下，电子关联在原则上有利于出现新的对称破缺电子态，但由于磁有序的趋势，这在许多现有的kagome材料中很难 探索 。
AV3Sb5 (A=K, Rb, Cs)，是最近发现的一类不呈现可分辨磁序的kagome金属。这类材料已经在非平凡的拓扑环境中显示出了不寻常的电子行为，比如巨大的异常霍尔响应，源自于巨大的贝里曲率，以及kagome系统中罕见的超导现象。理论表明，AV3Sb5的能带结构具有非平凡的拓扑不变量，并结合显现的超导性，在铁基高 T c超导体家族中与拓扑金属形成有趣的平行关系。由于费米能级附近的van Hove奇点和费米表面的准一维区域造成的态密度大，也为在kagome晶格上寻找难以捉摸的相关态提供了理想的场所。虽然理论预测了kagome晶格电子结构的空间对称破缺的许多可能性，但它们的实验实现一直具有挑战性。
在这里，研究者利用光谱成像扫描隧道显微镜(SI-STM)，在kagome超导体CsV3Sb5中发现了对称破缺相的级联与温度的函数关系，可检测为不同的电荷有序态和各向异性准粒子散射特征。这些相在正常状态下发展，并在超导 T c以下持续存在。实验证明，CsV3Sb5中的超导性，来自于本应破缺的旋转和平移对称的电子态，并与之共存。在远高于超导跃迁温度( T c~ K)的温度下，研究者揭示了一个具有2a0周期的三元电荷序，打破了晶格的平移对称性。当系统冷却到 T c时，研究者在费米能级上观察到一个显著的V型光谱缺口，并在超导跃变过程中持续破坏了六重旋转对称性。在微分电导图中，出现了额外的4a0单向电荷阶和强各向异性散射。后者可直接归因于钒kagome能带的轨道选择重正化。该实验揭示了可在kagome晶格上共存的复杂电子态，并提供了与高温超导体和扭曲双层石墨烯有趣的相似之处。
图1 表面表征。
图2 大尺度电子特性。
图3 低温下电荷有序。
图4 CsV3Sb5准粒子干涉(QPI)中旋转对称破缺的可视化研究。
未来的实验，应该通过更详细的温度、能量和掺杂相关的测量来解决不同相之间的竞争，同时也要寻找本征拓扑超导性和非平凡能带拓扑预计会出现的Majorana模式的证据。（文：水生）
作者 | 施郁（复旦大学物理学系）
2021年度“墨子量子奖”授予“开创了超导量子电路和量子比特中一系列早期关键技术”的三位科学家：加州大学伯克利分校的约翰·克拉克 （John Clarke） 、耶鲁大学的米歇尔·德沃雷 （Michel H. Devoret） ，以及日本理化学研究所的中村泰信 （Yasunobu Nakamura） 。
John Clarke
Michel H. Devoret
Yasunobu Nakamura
简单地说，他们的工作是超导量子比特实验的开端。本文介绍这个领域的科学背景和发展历程，从中看到这三位科学家的贡献。
超导和超流
超导和超流经常被称作“宏观量子现象”。但是通常情况下，它们只是微观量子行为的宏观表现，并不是宏观变量的量子化。
超导悬浮
液氦超流
按照统计性质，量子粒子分为两种。一种叫做玻色子，可以处于相同状态。另一种叫做费米子，任何两个费米子都不能处于相同状态。在量子力学中，同种粒子，比如两个电子或者两个光子，是绝对完全一样的，叫做全同粒子。由2个质子和1个中子组成的原子核叫做氦3原子核，它与2个电子组成电中性的氦3原子，是费米子。由2个质子和2个中子组成的原子核叫做氦4原子核，它与2个电子组成电中性的氦4原子，是玻色子。
因此在系统总能量最低时，简单来说 （忽略相互作用） ，大量的全同玻色子都处在相同的最低能量状态，叫做玻色-爱因斯坦凝聚。超流就是玻色-爱因斯坦凝聚的后果。最常见的超流是氦4超流。
玻色-爱因斯坦凝聚
而费米子可以由某种机制导致两两配对，形成“库珀对”，近似于玻色子。库珀对的近似玻色-爱因斯坦凝聚也导致超流。最常见的费米子超流是固体中的电子超流，一般称作超导电性 （因为电子带电） ，简称超导。也存在电中性的费米子超流，如氦3的超流。
库珀对卡通示意图
基于库珀对凝聚的超导理论于1956年由巴丁 （John Bardeen） ，库珀 （Leon Cooper） 和施里弗（John Robert Schrieffer）提出，库珀对的总自旋 （内禀角动量） 为0。而氦3超流的库珀对总自旋为1。对氦3超流的理论做出贡献的莱格特 （Anthony J. Leggett） 因此获得2003年诺贝尔物理学奖。安德森 （Philip Anderson） 等人对此也有重要贡献。
玻色-爱因斯坦凝聚、超流或者超导都可以由一个序参量描写，有时被称为宏观波函数，它是一个复数函数。粒子之间作用力比较弱时，可以用平均场理论来描述，假设所有全同粒子的波函数一样，它们相乘在一起，就构成系统的整体波函数。每个全同粒子的单体波函数就是序参量 （通常再乘以粒子数的平方根） 。对于相互作用较强的情况，序参量是规范对称自发破缺所导致的场算符的期望值，或者是单玻色子或者双费米子约化密度矩阵的最大本征值的本征函数 （这个说法对应于Penrose-Onsager和杨振宁的非对角长程序） 。
不管理论上以何种方式得到，这个序参量 （或称宏观波函数） 的一个重要特征是相位。相位随着位置的变化驱动了超流。约瑟夫森效应体现了这个相位的物理真实性。对于由绝缘体薄层隔开的两个超导体，两个超导体的宏观波函数的相位差直接导致穿过绝缘体的超导电流，电流强度正比于相位差的正弦函数，这就是约瑟夫森效应。它是剑桥大学研究生约瑟夫森 （Brian Josephson）在 学习Philip Anderson的超导课程时，用多体微观理论得到的结论。宏观波函数的相位差是一个宏观变量，但是由于粒子数涨落很大，相位成为一个经典变量。
约瑟夫森结
约瑟夫森结的 I-V 曲线
粒子数与相位是量子共轭算符
对于小约瑟夫森结，相位也有涨落，粒子数与相位都成为量子力学算符，而且它们具有共轭关系，类似位置和动量之间的关系，也就是互不对易 （改变作用顺序，结果不同） 。这也使得它们之间也服从海森堡的不确定关系。
1980年，Leggett指出 [1] ，通常所谓的“宏观量子系统”，即超导和超流，以及磁通量子化和约瑟夫森效应这些后果，并没有表明量子力学原理适用于宏观系统，因为其中并没有宏观上的不同状态之间的量子叠加 （如假想的薛定谔猫） ，但是由于在超导或超流状态下，耗散低，超导器件特别是SQUID （超导量子干涉仪，即具有两个约瑟夫森结的超导环） ，通过特别的设计，适合于寻找不同宏观状态之间的量子叠加或量子隧穿。这引领了几十年约瑟夫森结的量子效应的研究，包括超导量子比特的兴起。
作者与Leggett教授（摄于2003年10月诺贝尔奖宣布后伊利诺伊大学立即为Leggett举行的庆祝会）
约瑟夫森结量子行为的首次实验观察
1985年，加州大学伯克利分校John Clark教授带领两位学生John Martinis和Michel Devoret，首先观察到偏电流约瑟夫森结的量子行为 [2] 。偏电流是指外电流。具体来说，他们观察到量子化的能级，表明了约瑟夫森结的相位差确实是一个量子力学算符，实验结果与理论一致。
描述这个系统的方程类似于一个质点的一维运动，约瑟夫森结相位差对应于质点位置。对应后，质点所受的势能作为位置的函数，是倾斜的余弦函数。在约瑟夫森结中，这个倾斜由偏电流引起。约瑟夫森结的零电压态对应于质点的势能低点 （叫做势阱） 。量子力学预言，在势阱中，质点处于所谓束缚态 （指束缚在势阱中） ，而且所能具有的能量是分立的，叫做能级——也就是说，只有某些特定的数值才被允许，这叫能量量子化。原子中的电子就具有这个性质。具有如此能级结构的人工器件有时被称作人造原子，可以用约瑟夫森结实现，也可以用半导体量子点实现。
Clarke和两位学生将约瑟夫森结用微波辐照，发现当微波频率 （乘以普朗克常数） 等于分立能级之差时 （几个GHz） ，“质点”逃逸率 （逃逸出势阱的概率） 大大增加，也就是说，约瑟夫森结两端的电压以及导致的电流大大增强。这是一种共振，类似于，如果电磁波的频率 （乘以普朗克常数） 与原子中的电子能级差相等，低能级的电子就会吸收光子，跃迁到高能级。他们观测到，随着温度升高，逃逸率从量子共振激发过渡到经典热激发。
就这样，约瑟夫森结的量子行为首次得到证明，而且表明可以通过电路对它进行控制，并能将多个约瑟夫森结连结起来。短短两年后，Clark因此获得了低温物理的菲列兹·伦敦奖 （Fritz London Memorial Prize） 。
他们的约瑟夫森结材料是Nb-NbOx-PbIn，中间的氧化铌是绝缘体，两边的铌和铅铟合金是超导体。后来人们改用Al-Al2O3-Al, 即铝-氧化铝-铝，它的耗散更低[3]。
小约瑟夫森结
约瑟夫森结的能量来自两个互相竞争的部分。一是库珀对带来的充电能，等于充电能常数 （一对库珀对的充电能） 乘以库珀对数目 （减去一个所谓的门电荷数） 的平方。另一个是约瑟夫森隧道耦合能，是库珀对隧穿导致的负能量 （当库珀对波函数是隧道两边的叠加态时，能量降低） ，等于负的约瑟夫森能量常数 （临界电流乘以磁通量子，除以2π） 乘以相位差的余弦。
1990年代，很多研究组研究小约瑟夫森结 [4] 。代尔夫特工业大学的J. E. Mooij组研究了约瑟夫森结阵列 [5] ，哈佛大学的Tinkham组观察到超导单电子晶体管的电流-电压关系中的2e周期性 [6] ，当时在法国Saclay原子能委员会的Devoret组也证实了这个结果 [7] ，J. E. Mooij组证明了相位与电荷（ 库珀对数目乘以电子电荷） 之间的海森堡关系 [8] 。
量子计算的兴起
固态“人造原子”有其优点，它可以借由电路实现仔细的调控，因为相对于真正的原子，更容易调控各种参数，而且也容易和传统的技术整合，便于扩展到很多量子比特。
任何用来实现量子计算的物理系统，首先要解决的问题是量子比特的物理实现，包括单个量子比特以及不同量子比特的耦合。下文主要回顾单个超导量子比特的实现。
超导量子比特
超导量子比特有很多种。当充电能比约瑟夫森能大很多时，相位涨落大，库珀对数目接近明确，所实现的量子比特叫做电荷量子比特，又叫库珀对盒子。当约瑟夫森能比充电能大很多时，粒子数涨落大，相位明确，所实现的量子比特叫做相位量子比特，也可实现磁通量子比特。另外还有quantronium, transmon, flxonium，等等。
电荷量子比特
相位量子比特
1998年，Devoret组证明了电荷量子比特叠加态的存在性 [9] 。
1999年，当时在日本NEC实验室的中村泰信及其合作者Pashkin和Tsai实现了电荷量子比特的叠加态 [10] 。他们用电压脉冲，实现了相差一对库珀对的两个粒子数本征态的量子叠加。虽然相干时间 （维持叠加态的时间） 只有2纳秒，但是脉冲时间只有100皮秒。后来，他们又实现了在微波作用下，这两个电荷本征态之间的拉比振荡 [11] 。
2000年，纽约州立大学石溪分校的Lukens组 [12] 和代尔夫特的Mooij组 [13] 分别在特别设计的、包含3个约瑟夫森结的超导环中，实现了不同电流方向（顺时针和逆时针）的量子叠加态。这也叫磁通量子比特，因为两个方向的电流对应不同的、穿过环路的磁通量。但是量子叠加的证据是间接的，来自光谱 [14] 。
2002年，在Saclay和耶鲁大学的Devoret组用围绕一个库珀对盒子巧妙设计的超导电路，以哈密顿量的两个本征态作为量子比特，实现了任意幺正演化 （包括拉比振荡） 以及投影测量 [15] 。他们自己称这个量子比特为quantronium。这是电荷-磁通混合量子比特 [14] ，自由演化时，对电荷和磁通噪声都不敏感，等效于电荷量子比特，而读出时又改变控制参数，对磁通敏感，等效于磁通量子比特。
与之同时，堪萨斯大学的韩思远组发表了偏电流约瑟夫森结的两个本征态之间的拉比振荡[16]。当时在科罗拉多的NIST的Martinis组也观察到同样的现象。偏电流约瑟夫森结也就是1985年Clarke、Martinis和Devoret最初研究的系统，它的两个本征态对磁通噪声敏感度低于磁通量子比特 [14] 。它们被称为相位量子比特 [18,19] ，因为约瑟夫森能比充电能大很多。
2003年，Mooij组实现了磁通量子比特的拉比振荡和读出 [20] 。当时中村泰信在该组访问，是该工作的合作者。
后来这个领域又取得了长足的进展，包括双量子比特和多量子比特的耦合，直到最近用几十个量子比特实现量子优越性 [21,22] 。这里不再赘述。
置于微波腔中的超导量子电路还导致所谓电路量子电动力学，电磁波显示出量子行为。比起基于腔量子电动力学 （原子与光子耦合） 的量子门和读出，基于电路量子电动力学的量子门和读出快1000倍，但是退相干也快1000倍，不过电路量子电动力学能获得大量数据[3]。
Leggett一直在推动用SQUID检验是否存在宏观不同的状态的量子叠加 [23] 。最近的一个磁通量子比特实验说明，至少对于10纳秒、170纳安培的电流，存在两个方向电流状态的量子叠加 [24] 。
小结
通过我们的回顾综述，可以看到，J. Clarke和他的学生和. Devoret最早通过偏电流约瑟夫森结，首次观察到约瑟夫森结的量子行为。后来Devoret又做了一系列工作，包括1998年证明了电荷量子比特叠加态的存在性， 2002年实现电荷-磁通混合量子比特的拉比共振和其他演化及投影测量。中村泰信1999年和2001年分别首先实现超导量子比特的量子叠加和拉比振荡，是在电荷量子比特中。他2003年还参与Mooij组实现了磁通量子比特的拉比振荡和读出。
本文经授权转载自《墨子沙龙》公众号。
参考文献：（滑动浏览更多)
[1] . Leggett, Macroscopic quantum systems and the quantum theory of measurement, Progr. Theor. Phys. (Suppl.) 69 (1980), 80
[2] , . Devoret and J. Clarke, Energy level quantization in the zero-voltage state of a current-biased Josephson junction, Phys. Rev. Lett. 55 (1985), 1543
[3] , . Devoret and J. Clarke, Quantum Josephson junction circuits and the dawn of artificial atoms, Nature Physics volume 16, pages234–237 (2020)
[4] J. E. Mooij, The first Delft qubit, QuTech Blog.
[5] . Geerligs, M. Peters, . de Groot, A. Vebruggen and . Mooij, Charging effects and quantum coherence in regular Josephson junction arrays, Phys. Rev. Lett. 63 (1989), 326
[6] . Tuominen, . Hergenrother, . Tighe and M. Tinkham, Experimental evidence for parity-based 2e periodicity in a superconducting single-electron tunneling transistor, Phys. Rev. Lett. 69 (1992), 1997
[7] P. Lafarge, P. Joyez, D. Esteve, C. Urbina and . Devoret, Two-electron quantization of the charge on a superconductor, Nature 422 (1993), 422
[8] . Elion, M. Matters, U. Geigenmüller and . Mooij, Direct demonstration of Heisenberg’s uncertainty principle in a superconductor, Nature 371 (1994) 594
[9] Quantum coherence with a single Cooper pair, V. Bouchiat, D. Vion, P. Joyez, D. Esteve and . Devoret, Physica Scripta T76 (1998), 165
[10] Y. Nakamura, . Pashkin and . Tsai, Coherent control of macroscopic quantum states in a single-Cooper-pair box, Nature 398 (1999), 786
[11] Y. Nakamura, . Pashkin and . Tsai, Rabi oscillations in a Josephson-junction charge two-level system, Phys. Rev. Lett. 87 (2001), 246601
[12] . Friedman, V. Patel, W. Chen, . Tolpygo and . Lukens, Quantum superposition of distinct macroscopic states, Nature 406 (2000), 43
[13] . van der Wal, . ter Haar, . Wilhelm, . Schouten, . Harmans and . Mooij, Quantum superposition of macroscopic persistent-current states, Science 290 (2000), 773
[14] A. J. Leggett, Superconducting Qubits--a Major Roadblock Dissolved? Science 296 (2002), 861-862
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[17] . Martinis, S. Nam and J. Aumentado, Rabi oscillations in a large Josephson-junction qubit, Phys. Rev. Lett. 89 (2002), 117901
[18] J. Clarke, Flux qubit completes the hat trick, Science 299 (2002), 1850
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[21] F. Arute, et al., Quantum supremacy using a programmable superconducting processor, Nature, 574, 505 (2019).
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[23] A. J. Leggett，公众演讲:“日常世界真的服从量子力学吗？”，主持并翻译：施郁，对话嘉宾：潘建伟、陈宇翱，2020年12月27日，
[24] George C. Knee, Kosuke Kakuyanagi, Mao-Chuang Yeh, Yuichiro Matsuzaki, Hiraku Toida, Hiroshi Yamaguchi, Shiro Saito, Anthony J. Leggett & William J. Munro, A strict experimental test of macroscopic realism in a superconducting flux qubit, Nature Communications volume 7, Article number: 13253 (2016).
制版编辑 -小圭月-
1911年，就像很多科学的始端都是一次意外一样，卡末林·昂内斯就意外地发现了在－ 时，汞的电阻突然消失；而且后来他发现许多金属和合金都具有与上述汞相类似的低温下失去电阻的特性 。这个意外带来的另一个“意外”是，他获得了诺贝尔奖。 1913年就是这个卡末林·昂内斯在诺贝尔领奖演说中说低温下金属电阻的消失“不是逐渐的，而是突然的”，水银在进入了一种新状态，由于它的特殊导电性能，可以称为“超导态” 。超导体就这样诞生了。 1932年又是这个卡末林·昂内斯都在实验中发现，隔着极薄一层氧化物的两块处于超导状态的金属，没有外加电压时也有电流流过。 1933年荷兰的迈斯纳和奥森菲尔德共同发现了超导体的一个极为重要的性质，超导体一旦进入超导状态，体内的磁通量将全部被排出体外，磁感应强度恒为零。这就是迈斯纳效应。 1935年德国人伦敦兄弟提出了一个超导电性的电动力学理论。 1950年美籍德国人弗茹里赫与美国伊利诺斯大学的巴丁经过复杂的研究和推论后，同时提出：超导电性是电子与晶格振动相互作用而产生的。接着，美国伊利诺斯大学的三个人巴丁、库柏和斯里弗提出超导电量子理论-“巴库斯理论”。这一理论使超导研究进入了一个新的阶段。 1953年毕派德推广了德国人伦敦兄弟提出的超导电性的电动力学理论，并得到与实验基本相符的超导穿透深度的数值。 1960-1961年美籍挪威人贾埃瓦用铝做成隧道元件进行超导实验，直接观测到了超导能隙，证明了巴库斯理论。 1962年一个20多岁的年青人，剑桥大学实验物理研究生约瑟夫逊提出约瑟夫逊效应。约瑟夫森效应成为微弱电磁信号探测和其他电子学应用的基础。 70年代超导列车成功地进行了载人可行性试验。车辆在电机牵引下无摩擦地前进，时速可高达500千米。 1986年1月在美国国际商用机器公司设在瑞士苏黎世实验室中工作的科学家柏诺兹和缪勒，首先发现钡镧铜氧化物是高温超导体，将超导温度提高到30K；紧接着，日本东京大学工学部又将超导温度提高到37K。 1987年1月初日本川崎国立分子研究所将超导温度提高到43K；不久日本综合电子研究所又将超导温度提高到46K和53K。中国科学院物理研究所由赵忠贤、陈立泉领导的研究组，获得了48．6K的锶镧铜氧系超导体，并看到这类物质有在70K发生转变的迹象。 1987年，这一年发生了很多值得纪念的事情。2月16日美国国家科学基金会宣布，朱经武与吴茂昆获得转变温度为98K的超导体。2月20日中国也宣布发现100K以上超导体。3月3日，日本宣布发现123K超导体，3月12日中国北京大学成功地用液氮进行超导磁悬浮实验。 3月27日美国华裔科学家又发现在氧化物超导材料中有转变温度为240K的超导迹象。12月30 美国休斯敦大学宣布，美籍华裔科学家朱经武又将超导温度提高到。另外，这一年日本铁道综合技术研究所的“MLU002”号磁悬浮实验车开始试运行。 1991年10月日本原子能研究所和东芝公司共同研制成核聚变堆用的新型超导线圈，达到世界最高水准。这个新型磁体使用的超导材料是铌和锡的化合物。 1992年1月27日第一艘超导船“大和”1号在日本神户下水试航。 1992年一个以巨型超导磁体为主的超导超级对撞机特大型设备，于美国得克萨斯州建成并投入使用，耗资超过82亿美元。 1996年改进高温超导电线的研究工作取得进展，制成了第一条地下输电电缆。 2001年4月，340米铋系高温超导线在清华大学应用超导研究中心研制成功，并于年末建成第一条铋系高温线材生产线。 2008年在沉寂了一段时间后超导又火了一把，就是铁基超导体。中国科学家赵忠贤、王楠林、陈仙辉等合成了一系列铁基化合物，其超导临界温度达到55K，说明这个体系是一类高温超导体。 2014年德国马普所的Eremets通过实验证实了吉林大学崔田教授的预测，获得了临界温度为190K的硫化氢，一年后，临界温度被提高到了203K，干冰温区突破了。 2018年，21岁的麻省理工学院博士曹原一天之内在NATURE杂志上连续发表两篇文章，论述了双层石墨烯在重叠角度为 时，会产生超导现象。虽然其临界温度只有，但这是首次发现超导行为与结构如此特别的对应关系，这一发现开辟了超导物理乃至凝聚态物理研究的新方向，无数学者正在跟进。这个成果是2018年十大科研进展之一。 2019年德国马普所的Eremets等人再接再厉，在氢化镧体系中实现了250K的临界温度，但是同时需要极高的压强。 这只是超导技术发展的的一段简史，并不完全。但是可以看出我们的科学家们一直在努力。如果有朝一日我们能够在室温下实现超导，那就会彻底改变人类的未来，让我们拭目以待。
研究硅和锗的电子结构。研究硅和锗的电子结构：可以揭示半导体材料的性质，为硅和锗的应用提供理论指导，研究硅和锗的局域密度泛函理论：通过对硅和锗的局域密度泛函理论的研究，可以提出更加准确的性质模型。硅和锗是一种半导体材料，具有重要的应用价值，第一性原理计算是研究半导体材料性质的基础理论，因此，硅和锗的第一性原理论文具有重要的研究价值。
第一作者：Pin-Chun Shen, Cong Su, Yuxuan Lin, Ang-Sheng Chou
通讯作者：Pin-Chun Shen, Lain-Jong Li，Jing Kong
通讯单位： 麻省理工学院(MIT)，台湾积体电路制造公司(TSMC)
先进的超越硅电子技术既需要通道材料，也需要发现超低电阻接触。原子薄的二维半导体具有实现高性能电子器件的巨大潜力。但是，到目前为止，由于金属引起的间隙态(MIGS)，金属-半导体界面处的能垒(从根本上导致高接触电阻和较差的电流传输能力)限制了二维半导体晶体管。最近， 麻省理工学院(MIT)Pin-Chun Shen和Jing Kong，台湾积体电路制造公司(TSMC)Lain-Jong Li 等人 在国际知名期刊 “Nature” 发表题为 “Ultralow contact resistance between semimetal and monolayer semiconductors” 的研究论文。他们报道了半金属铋与半导体单层过渡金属硫化合物(TMDs)之间的欧姆接触，其中MIGS被充分抑制，TMD中的简并态与铋接触形成。通过这种方法，他们在单层MoS2上实现了零肖特基势垒高度，接触电阻为123欧姆微米，通态电流密度为1135微安/微米。就他们所知，这两个值分别是尚未记录的最低和最高值。他们还证明了可以在包括MoS2、WS2和WSe2在内的各种单层半导体上形成出色的欧姆接触。他们报道的接触电阻是对二维半导体的实质性改进，并接近量子极限。这项技术揭示了与最新的三维半导体相媲美的高性能单层晶体管的潜力，从而可以进一步缩小器件尺寸并扩展摩尔定律。
图1：半金属-半导体接触的间隙态饱和的概念
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俗话说，没有丑女人，只有懒女人。才发现头发影响整体外观了，约上许久没见的姐们，一块去发廊整头发。 发现姐们有好多白头发，真心感慨当妈不易。她的头发很黑，发质也好，白发里面掺杂着黄棕色头发。理发师一看，特熟稔说：你是用海娜粉染过了的吧？ 他俩攀谈起来。从没听说过海娜粉，才知道在说的一种 天然的染发剂 。想起曾经孤身一人去NYC，Q妹妹赶去与我汇合，巴巴跑到一家店去买纯天然的染发剂，说是打算回国送给父母。也知道一些男性长辈，染发久了皮肤过敏，最后直接剃成了光头；女性长辈过敏的，后来就都是花白头发，坚决不肯再染发了。 Stay curious，回来就去查据说和指甲花有关的海娜粉，越查越有意思。于是放在这儿和大家分享下。海娜是英语Henna的音译，有热带灌木（番桂）和温带草本（指甲花）两种形态。在高温、低湿、阳光充足的条件下，海娜叶可合成更多更鲜艳的红褐色素。热带海娜叶，也叫印度海娜，India Henna（主要用叶），和我们熟知的指甲花完全不同（如下图）。Note：看了一些中外文献，但自始至终也不知道是用得印度海娜，还是我们的指甲花。姑且认为是更广传播的印度海娜吧。海娜是印度的主要经济作物之一，印度的拉贾斯坦邦干旱高温，非常适合其生长，印度90%的海娜都产自那里。海娜在印度等阿拉伯国家已有千年的使用历史，女性喜欢使用它纹身、彩绘、染指甲、染手掌心及头发。 海娜粉是一种混合物，里面有机成分很多（醌类、香豆素类、黄酮类等），无机金属盐种类也很多（钠、钙、铁、镁、锰、锶、铜、锌等，与选择测试样品有关）。主要活性成分即着色成分是指甲花醌（lawsone，更专业点叫，2-羟基-1,4-萘醌），它在指甲花叶、果皮、种子中的含量依次约为，和（某文献结果，会受产地、品种等影响）。它的分子结构如图所示。海娜粉染发原理：指甲花醌易于结合头发中的角质蛋白（主要成分氨基酸），生成一种新的呈色物质，这种呈色物质遇空气后颜色会明显加深（染发两三天后头发会变深的原因），在日光下根据发质和底色的不同，头发最终呈现红棕、褐色、咖啡色等。围绕它最多的就是用作染发剂，安全不安全？对身体有没有危害？ 百度查询的词条，很是吓人（“据国外的研究，染发的人得血液病、淋巴瘤的几率，比普通人高3倍左右。动物实验证明海娜可以诱导孕妇产生自发性流产…”不知原始数据来源）。去查化学药品的MSDS（CAS登记号83-72-7），看看Sigma-Aldrich提供的数据，在毒理信息方面的各类测试，目前都缺乏数据（No data available），国外4大机构在致癌性方面给出： 成分含量小于 ，基本没有致癌性 （No component of this product present at levels greater than or equal to is identified as probable, possible or confirmed human carcinogen…）。另外，国内有研究报道（新疆医科大学学报,2010,33(8),886-887），用新疆海娜做过动物实验，采用小鼠经口急性毒性试验、皮肤刺激性／腐蚀性试验、急性眼刺激性／腐蚀性试验，观察海娜粉的急性经口毒性及其对皮肤、眼睛的刺激强度。结论是新疆特有染发剂海娜粉属无急性毒性、无刺激性的天然染发剂。此研究组另有两篇文章接着进一步报道了无皮肤刺激性及眼刺激性，及初步证实无潜在致突变性（毒理学杂志,2011,25(3),235-236等）。果真这么安全，海娜粉染发可以放心大胆使用吗？ 有研究者非常简单，将指甲花醌直接与DNA混合，借助中间分子，检测其荧光性能，结论是：指甲花醌存在一定的DNA毒性，可与DNA发生嵌入结合和较弱的沟槽键合（日用化学化工,2015,45(3),152-156）。从分子结构不难发现，存在大π键啊，氢键啊，指甲花醌与DNA结合，总是有机会的。 根据《化妆品卫生规范》（2007年版）规定，指甲花（海娜花）不得作为染发剂成分使用。国家食品药品监督管理总局发布的《化妆品安全技术规范》（2015年版）中，允许使用的染发剂列表中并未收录海娜粉。 虽然并无海娜粉特别危害的研究与使用者案例，但出现问题的时候牵扯到了另一种物质成分——对苯二胺（PPD）。有研究对54份市售海娜染发粉样品进行检测（日用化学化工, 2015,45(9),533-536），发现有30个样品只检出指甲花醌，12个样品同时检出指甲花醌和对苯二胺，7个样品只检出对苯二胺，4个样品散沫花醌和对苯二胺均未检出（看看市场上不同品牌，水分多大！有的有活性物质也有有害物质，有的只有有害物质，有的索性啥都没）。 PPD是氧化型染发剂中的一种具有强致癌和致敏性的染料中间体，是化妆品中的严格限用物质。我国《化妆品卫生规范》(2007年版)规定对苯二胺的最大允许使用质量分数为（欧盟已将允许浓度由原来的6%降至2%）。此外，国家药品监督管理局组织起草了《化妆品中对苯二胺等32种组分检验方法》等7项检验方法，经化妆品标准专家委员会全体会议审议通过，作为《化妆品安全技术规范（2015年版）》修订或新增的检验方法，纳入《规范》相应章节。可见，对苯二胺是个狠角色。 问题来了，对苯二胺为什么会混入到海娜粉中呢？这是因为海娜粉易于凝结成小球，难以均匀涂敷，使用时容易沾染，为了降低成本，缩短染色时间与效果，商家通常在指甲花染料中添加对苯二胺。 在西方国家流行一种暂时性纹身，这种纹身就是采用指甲花作染料的。它之所以得到人们喜爱，归结于它的持续时间短暂，时间长短取决于个体因素，如体温、皮肤类型等，平均可以持续1-2周，这也正适应了我们这个时尚迅速变化的年代。相继有指甲花纹身引起皮肤过敏的报道，有医生对患者进行了皮肤接触测验，发现患者是对PPD反应强烈。此外，一些医生也通过研究证明指甲花纹身染料中含有高浓度的对苯二胺，能引起过敏性皮炎。一系列国外文献的研究结果，在这里用案例呈现吧。 1）“从黑色指甲花纹身过敏，到对染发剂中PPD的接触性皮炎——一个持续存在的问题” 黑色指甲花纹身越来越受欢迎，尤其是在儿童和青少年中。对苯二胺(PPD)常被添加到染料中，以便使指甲花的颜色更深、更浓，并确保皮肤持久着色。PPD是一种有效的、常见的接触性过敏原。这种黑色指甲花纹身染料的浓度范围为，甚至高达。混合物还含有其他添加剂，如柠檬汁、咖啡粉、醋、油、橡胶产品、偶氮染料和金属如镍和钴。偶尔也会添加一些香味。在纹身前，有时会用橡胶制品勾勒出图案轮廓。随着指甲花越来越受欢迎，接受黑色指甲花纹身后发生过敏性接触性皮炎的病例也越来越多。 7例患者在初次染发或睫毛后出现过敏性接触性皮炎。他们之前都有黑色指甲花纹身的反应史。从黑色指甲花纹身致敏到染发后发生过敏性接触性皮炎的平均时间为年。认为，“黑色指甲花纹身”后过敏性接触性皮炎最常见的原因是PPD。长时间的皮肤接触和高浓度的PPD都增加了致敏的风险。 儿童使用 PPD 和相关染料染发是绝对不鼓励的（Contact Dermatitis, 2011, 65, 220–226 ）。 2）“职业理发师暴露在环境中，吸入海娜粉引起鼻炎和哮喘” 一位30岁的女性美发师，之前没有相关病史，却有了鼻炎和职业性哮喘。一年前，在她的工作场所引入了一种新的植物性染发剂（指甲花系列产品）。处理产品时，她出现荨麻疹、鼻漏、瘙痒(眼睛和鼻子)和呼吸困难的症状。医生诊所做了查过敏源的皮肤点刺试验，发现在本病例中患者似乎是经吸入致敏，虽然指甲花过敏常见原因是皮肤接触而不是吸入。结论： 指甲花产品中 L inermis 和C obovata 被认为是潜在的过敏原，它们即使在没有PPD 的情况下也能引起鼻炎和职业性哮喘（ J Investig Allergol Clin Immunol 2020, 30(2): 133-155 ） 。3）“IgE介导的海娜粉过敏” 一名22岁的女理发师工作了5年，没有健康问题。然而，在转到另一家美容院后，她在工作中逐渐出现以下症状：打喷嚏、结膜炎、流鼻涕、干咳和严重的呼吸困难。最后这个症状迫使她请了很长时间的病假。她在职业生涯中第一次用指甲花作为天然染发剂进行高强度的工作。她自己也认为Henna是诱因，她的健康问题，特别是henna引起的严重的呼吸困难，迫使她换到另一家不用henna的美发店工作。换了工作后，她的症状消失了。 之前至少有6例患者被报道对指甲花有即刻型过敏反应，均因职业暴露于henna的环境中。这篇论文首次报道了过敏是由于对指甲花产生特异性IgE抗体（免疫球蛋白lgE，人体一种抗体，正常人血清中含量最少的免疫球蛋白，可引起I型超敏反应）介导的海娜粉过敏。 荷兰医生在研究论文中建议：对henna的敏感已成为理发师严重的职业危害。致敏事件主要是吸入分散在空气中的henna粉末；需要美发师和henna生产商密切合作，制定预防这种空气传播致敏的措施，一种简单的方法是将指甲花做成糊状而不是粉末状。写了这么多，归纳：1 ）海娜粉目前没有实验证明基因突变之类的，只是从结构解构，担心有这种潜在风险，但其中某些活性成分的含量低应该没事。2 ）关注品牌与质量，担心海娜粉中掺入的PPD 的危害。3 ）过敏体质的人群避免用，因为还是有一些案例证明接触海娜粉有过敏的（接触和吸入），产生荨麻疹、哮喘、鼻炎、红斑、水肿、瘙痒、丘疹及水疱等。
DTH反应是由效应性T细胞与相应抗原作用后，引起的以单核细胞浸润和组织细胞损伤为特征的炎症反应。
细胞介导的免疫反应有不同的类型。Ⅳ型或迟发型超敏反应（DTH）是一种特异性致敏T细胞介导的细胞免疫反应。在豚鼠、大鼠和小鼠中，大多数蛋白质抗原的DTH反应可被CD4+T细胞被动地转移。
但最近的研究证明，CD8+T细胞也能被动地传递类DTH反应。例如，抗病毒DTH反应主要由CD8+T细胞介导。注入机体或细胞外抗原的蛋白质主要由CD4+T细胞介导。DTH反应的最终效应细胞是活化的单核吞噬细胞。
扩展资料：
DTH反应的反应过程：
1、存在于上皮中的特定的APCS如郎格罕细胞。它们能将抗原转移到引流淋巴结并接触抗原特异性T细胞。活化的T细胞数量和它们穿越内皮屏障的能力增加。
2、皮肤中的Mφ和单核细胞，一旦离开血液循环进入DTH反应部位的血管外组织，就会分化为活化的巨噬细胞，即DTH的最终效应细胞。单核细胞分化为效应细胞称为巨噬细胞活化。
3、最后一类APCs可能是后毛细静脉内皮细胞。抗原在DTH中除了激活T细胞作为APC外，还可以调节白细胞浸润，在炎症反应中发挥重要作用。
参考资料来源：百度百科-超敏反应
参考资料来源：百度百科-Ⅳ型超敏反应