科技 · 前沿 | 清华大学近期科研成果扫描

近期科研成果扫描

☑ 微电子所钱鹤、吴华强课题组在基于新型忆阻器阵列的类脑计算取得重大突破；

☑ 量子信息中心段路明研究组刷新量子存储容量国际记录，首次实现具有225个存储单元的原子量子存储器；

☑化学系本科生吴之晨在《应用化学》上发表论文，提出新型大环主体分子超分子合成方法。

微电子所钱鹤、吴华强课题组在基于新型忆阻器阵列的类脑计算取得重大突破

 5月12日，清华大学微电子所钱鹤、吴华强课题组在《自然通讯》（Nature Communications）在线发表了题为 “运用电子突触进行人脸分类”（“Face Classification using Electronic Synapses”）的研究成果，将氧化物忆阻器的集成规模提高了一个数量级，首次实现了基于1024个氧化物忆阻器阵列的类脑计算。该成果在最基本的单个忆阻器上实现了存储和计算的融合，采用完全不同于传统“冯·诺依曼架构”的体系，可以使芯片功耗降低到原千分之一以下。 

类脑计算示意图。

在人工智能日益火热的今天，由于“冯·诺依曼架构”存在“存储墙瓶颈”，现有计算平台无法高效实现相关算法，功耗成为制约因素。相比之下，人脑可以快速、低功耗地完成各种学习任务。人脑中大约有1000亿个神经元，每个神经元之间通过成千上万个神经突触连接起来，构成复杂的神经网络。人脑的突触能同时进行记忆和计算，这与“冯·诺依曼架构”存在着显著不同。2008年忆阻器的发现，可以将存储和计算在同一个器件实现，忆阻器因此被认为是最具潜力的电子突触器件。通过在器件两端施加电压，可以灵活地改变其阻值状态，从而实现突触的可塑性。此外，忆阻器还具有尺寸小、操作功耗低、可大规模集成等优势。因此，基于忆阻器所搭建的类脑计算硬件系统具有功耗低和速度快的优势，成为国际研究热点。  

清华微电子所钱鹤、吴华强课题组的研究基于电子突触阵列搭建了神经网络硬件系统的原型，并提出了与新型硬件架构相匹配的操作方式，用来实现在线学习，以满足不同应用场景的需求。论文采用耶鲁大学人脸图片库（Yale Face）实验验证了系统人脸识别功能。实验表明，该原型系统达到了与现有CPU接近的识别率和泛化能力，相较于现有的基于“冯·诺依曼架构”的Intel 至强（Xeon） Phi处理器，该原型系统具有1000倍以上的能耗优势。 

近年来，钱鹤、吴华强课题组致力于类脑计算芯片研究，尤其是基于氧化物忆阻器的电子突触器件的制备和优化，以及基于忆阻器件的神经网络算法的硬件系统实现。课题组在《纳米快报》（Nano Letters），《先进材料》（Advanced Materials），《科学报告》（Scientific Reports）等期刊已发表多篇论文。

清华大学微纳电子系博士生姚鹏是该论文的第一作者，清华大学微电子所吴华强副教授是该论文的通讯作者。该研究工作是与斯坦福大学的合作成果。

量子信息中心段路明研究组刷新量子存储容量国际记录

清华大学量子信息中心段路明研究组在量子信息领域取得重要进展，首次实现具有225个存储单元的原子量子存储器，将量子存储器存储容量的国际记录提高了一个多数量级。该成果的研究论文“225个存储单元的量子存储器的实验实现”（“Experimental realization of a multiplexed quantum memory with 225 individually accessible memory cells”）近日发表于《自然·通讯》（Nature Communications）。 

量子存储器二维存储阵列示意图。

量子存储器是实现长程量子通讯和量子计算机的重要部件。长程量子通讯需要量子中继器，以克服单光子信号在传输信道中的指数衰减问题。2001年，段路明与合作者提出DLCZ（Duan-Lukin-Cirac-Zoller)方案（《自然》414, 2001），利用原子量子存储器和单光子信道的结合以抑制衰减。该方案在量子信息领域引起很大反响，美国、中国、欧洲的多个研究组致力于在实验室上实现该方案，取得了系列重要进展。《现代物理评论》（Review of Modern Physics）和《自然》曾发表专文介绍相关进展，其中提高量子存储器的存储容量被认为是量子中继器实验实现方面的一个关键问题。

原子量子存储器阵列实验装置示意图。

此前，美国有研究组通过空间分波法，实现了12个存储单元的量子存储器。国内有研究组利用高维态空间的方法，实现了3到7维光信号的量子存储，该信号能编码2到3个量子比特。段路明研究组引入二维量子存储阵列的方法（如下图所示），大大提高了量子存储器的存储容量，将原子存储单元的数目增加到225个，比国际原有记录提高了近20倍。

实验演示任意原子存储单元与光子间的量子纠缠存储。

该实验利用二维可编程光路，近乎完美地保持了两百多个激光光路之间的相干性，从而为量子比特相干性和量子纠缠的存储提供了条件。实验利用DLCZ方案，实现了光子态与任意一对原子存储单元间量子纠缠的存储与读取，并证明各量子存储单元可以分别独立操作，避免了相互干扰。这些技术为高容量量子存储器的实现和量子中继器的发展奠定了基础，审稿人认为，“实现225个单元的量子存储是量子存储器实用化发展方面的一个重要里程碑”。

该论文第一作者为清华量子信息中心博士研究生濮云飞，通讯作者为段路明教授，其他作者包括交叉信息研究院博士研究生蒋楠、杨蒿翔、常炜、李畅。

化学系本科生吴之晨在《应用化学》上发表论文

清华大学化学系2013级本科生吴之晨近日在《应用化学》（Angewandte Chemie International Edition）在线发表“通过大环-大环转化途径和一锅三组分反应方法合成冠[5]芳烃”（Corona[5]arenes Accessed by a Macrocycle-to-Macrocycle Transformation Route and a One-Pot Three-Component Reaction）一文，体现了新型大环主体分子超分子化学的最新研究结果。

过去几十年，人工合成大环主体分子的研究奠定了超分子化学的基础并推动该学科的快速发展。1967年，查尔斯·J·佩德森(Charles J. Pederson) 创制了冠醚，随后让－马里·莱恩（Jean-Marie Lehn）和唐纳德·J·克拉姆（D. J. Cram）分别创制了穴醚和球醚，他们系统地研究了这些人工合成大环分子的分子识别与主-客体化学，催生了超分子化学学科，并于1987年获得诺贝尔化学奖。基于大环分子，詹姆斯·弗雷泽·司徒塔特（Sir J. Fraser Stoddart）与让－皮埃尔·索维奇（Jean-Pierre Sauvage）开创了机械互锁结构与分子机器的研究，赢得了2016年的诺贝尔化学奖。设计与合成全新的、具有多种分子识别与组装功能的大环主体分子一直是超分子化学研究的挑战之一。

吴之晨系统地研究了冠[5]芳烃的合成与性能，首先建立与发展了高效的“大环-大环”转化方法，实现了从冠[6]芳烃合成冠[5]芳烃化合物。随后，基于对冠[5]芳烃化合物热力学稳定性的思考和“大环-大环”反应中的动力学因素，建立了三组分反应，从简单易得原料出发，通过一锅法合成冠[5]芳烃。研究还揭示了冠[5]芳烃的分子和构象结构，阐明了冠[5]芳烃的光谱性质与电化学性质，为分子识别，尤其是对富电子客体物种的识别提供了一类具有应用前景的新型人工合成大环主体分子。

通过大环-大环转化反应（左）与三组分反应（右）构建冠[5]芳烃示意图。

本研究的第一作者为吴之晨，通讯作者为王梅祥教授，清华大学化学系2015年博士毕业生郭庆辉参与部分工作。

吴之晨于2013年进入清华大学化学系学习，2014年入选清华大学学堂人才培养计划，2015年进入化学系王梅祥老师课题组，学习有机化学实验与研究方法，后在王梅祥老师指导下独立开展新颖的冠[5]芳烃大环主体分子的合成与性能研究。

延伸阅读 | 不明觉厉，清华大学近期科研成果扫描

来源 | 清华大学官方微信公众号