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原标题:1. 得以实现单光子多自由衡量子隐形传态,那项

浏览次数:113 时间:2020-03-29

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2月25日,科技部基础研究管理中心公布了2015年度中国十大科学进展。中国科学院牵头完成或参与完成的七项成果入选其中,分别是:实现单光子多自由度量子隐形传态,理论预言并实验验证外尔半金属的存在,揭示埃博拉病毒演化及遗传多样性特征,实现对反物质间相互作用力的测量,探测到宇宙早期最亮、中心黑洞质量最大的类星体,发现东亚最早的现代人化石,实现对单个蛋白质分子的磁共振探测。

新方法可发挥核磁共振更大潜力虽然核磁共振对很多科学和医学领域来说是一个强大的分析工具,但通常其潜在功能只有一部分得到利用。大多数应用都是定性的,限于所研究的相关性质。Dan Ma 及其同事推出一种新方法,称之为“磁共振指纹获取法”,旨在大大增加从一次测量中可以获得的定量信息量。他们的方法结合了一个数据获取方案,该方案对其所探测的材料性质不加区分,它采用的“模式识别算法”在数据内寻找感兴趣的“指纹”。“磁共振指纹获取法”具有检测和分析疾病早期指标或材料中的复杂变化的潜力,也有提高磁共振研究的灵敏度、特异性和速度的潜力。机械振荡和量子态存储在过去十年,人们已经有可能以使宏观机械振荡器表现出量子行为的方式来控制它们。下一步是,利用这种能力来为量子信息应用制造有用的器件,尤其是作为量子态存储元件的器件,这是机械振荡器有望扮演的一个角色。实现这一点的一种方式是,将机械振荡器嵌入在超导电路中,在其中量子信息可以被以微波场的形式处理。现在,Tauno Palomaki 等人实现了这一领域的一个重要目标:他们发现,一个微波场的状态可以在单量子水平上被相干地保存在一个机械振荡器中和从其中提取出来。TiO2晶体通用合成新法介孔半导体和陶瓷具有大的表面积,在高性能太阳能电池中可以加以利用,也可以用作光催化剂和用在普通电池中。本文介绍了被称为“锐钛矿”的一种形式的二氧化钛的微米大小的半导体介孔单晶的一个低温通用合成方法,该方法基于浸没在一种稀释的反应溶液中的一个介孔模板内发生的种子成核作用和生长。作者发现,孤立的晶体和作为整体融入薄膜内的晶体都表现出大大高于纳米晶体TiO2的导电性和电子迁移率。用这些材料做成的染料敏化的太阳能电池的能量转换效率为7.3%,这是迄今用低温处理方法所获得的最高值。该合成方法对于其他功能陶瓷和半导体应具有普遍适用性。水和氢在地幔中并不混合根据相当少的实验数据,人们曾假设:在氢分子和水在深层地幔中的含水流体中共存的地方,二者是完全可以混合的。但根据对作为合成流体“内含物”束缚在石英或橄榄石矿物中的水性流体所作的这项研究,事实并不是这样的。Enikő Bali 等人提供的实验证据表明,在与地球内深度50km~80km处相似的条件下,水和氢以两个分开的、不可混合的相共存。他们的结论是:这种不可混合性也许是形成被认为存在于地幔中的谜一样的超级还原区域的原因,同时它也为在地核形成之后地球上层地幔立即被迅速氧化提供了一个机制。大脑怎样将时空联系起来内侧颞叶中的网格细胞以周期性的、像晶格一样的形式发射信号,来帮助导航,但目前仍不清楚这些网格一样的发射模式是怎样出现的。在这项研究中,David Tank 及其同事对沿虚拟现实中的线性跑道奔跑的小鼠的这些细胞中的电压变化和细胞内动态进行了直接测定。他们发现,网格发射场是由缓慢的去极化产生的,网格细胞还表现出能影响它们尖峰时间的细胞内θ-振荡。这些数据与网格细胞来自“吸引子”动态、θ-振荡控制网格细胞尖峰时间的模型最为一致。PRC1在生殖细胞发育中的作用Polycomb group蛋白参与胚胎干细胞中发育调控因子的转录抑制,在那里,它们在随后的发育过程中维持多能性和细胞身份。Antoine Peters 及其同事研究了多梳抑制复合物1在小鼠原始生殖细胞发育中所发挥的功能。他们观察了PRC1在发育中的多种性别特异性作用。PRC1是维持转录因子Oct4 和Nanog的高水平表达所必需的。而且,通过抑制雌性生殖嵴的“体细胞腔”所提供的视黄酸信号作用,PRC1还确保诱导发生减数分裂的适当时机。新研究揭示种群表观遗传多样性模式像自然遗传变异一样,自然外成变异也是表现型多样性的一个来源。自然外成变异是指由DNA序列的改变以外的机制所引起的基因表达的可遗传改变。然而,对于外成变异体是怎样形成的以及遗传变异在种群层面上是怎样与外成变异联系在一起的却很少有研究。本文作者通过测定从整个北半球分离出的 “拟南芥”植物拥有超过150个新增成员的一个种群的基因组、甲基化组和转录组的序列,发布了第一个全基因组的、达到碱基分辨率的、种群层面的外成分析结果。他们识别出了数以千计的DNA甲基化变异体,其中很多都与遗传变异体相关。这些分析结果还显示,由RNA引导的DNA甲基化作为目标的基因可能采用了这样一个机制:它使“转位子”沉默,以保持其在植物组织中的沉默状态,并确保在花粉、种子和生殖系发育中有正确的表达。本篇文章来源于《中国科学报》 (2013-03-25 第2版 国际)原文链接:

2017 年 8 月 29 日,来自美国和加拿大的研究团队发表了关于世界各地不同人群之间表观遗传变异的最新研究进展。研究人员对来自世界五个不同种群 DNA 甲基化、基因型和基因表达的数据进了分析。研究发现,在人群范围内的表观遗传变化比 DNA 序列的变化快得多。相关研究于今日发表在 Nature Ecology and Evolution 期刊,这可能揭示了人类如何通过表观遗传学反应来应对环境压力。

中国科学十大进展遴选程序分为推荐、初选和终选3个环节。2015年度共收集整理256项进展,由中科院院士、中国工程院院士、973计划项目首席科学家、国家重点实验室主任等专家对30项候选进展进行函选投票,最终遴选出2015年度十大进展。自2005年以来,该项活动已成功举办11届。

表观基因组是基因组与环境之间的接口,因此研究它提供了人类对其周围环境作出反应的线索。人类的一种适应方式是通过 DNA 序列的变异,但人类也可以通过 DNA 甲基化的变异来应对或适应环境挑战。当 DNA 甲基化变异在遗传控制下时,便可以通过代代相传,帮助人类适应环境。了解促进人群 DNA 甲基化变化的因素对于了解表观遗传多样性与表型多样性之间的关系至关重要,包括疾病的多样性。

2015年度中国十大科学进展详细介绍:

研究表观遗传多样性的全球模式颇具挑战。斯坦福大学和宾夕法尼亚大学的生物学研究员、文章通讯作者 Oana Carja 表示:“这项研究为世界人类表观遗传多样性模式提供了更深入的了解,也对现代人类进化中表观遗传分化率进行了初步估计。”

1. 实现单光子多自由度量子隐形传态

在研究分析中,Carja 和同事使用人类全基因组甲基化研究芯片,评估了不同种群间个体的淋巴母细胞系全基因组 CpG DNA 甲基化水平,其中包括:六个雅库特人、七个柬埔寨人、七个阿富汗人、七个莫扎比特人、七个玛雅人。研究人员介绍:“我们选择的这五个种群跨越了世界范围内的人类迁徙,同时也捕捉了到遗传多样性的差异,这些遗传多样性源于人类进化史上连续的奠基者效应。”这些族群是非常独特的群体,能够帮助研究人员将表观遗传学模式与遗传和转录概况联系起来。

加拿大pc28,量子隐形传态就是利用量子纠缠效应把量子态传输到遥远地点,而无需传输载体本身。量子隐形传态作为量子信息处理的基本单元,在量子通信和量子计算网络中发挥着至关重要的作用。1997年,国际上首次报道了单一自由度量子隐形传态的实验验证。此后,作为量子信息实验领域的重要研究热点,量子隐形传态又先后在冷原子、离子阱、超导、量子点和金刚石色芯等诸多物理系统中得以实现。但以往所有的量子隐形传态实验都存在着一个根本性局限,即传输的量子态只是基本粒子的单个自由度的状态,也就是说只是部分信息,而不是完整的量子隐形传态。然而,真正的量子物理体系自然地具有多个自由度的信息,即使是一个最简单的基本粒子,如单光子,它的性质也包括波长、动量、自旋和轨道角动量等多个自由度。因此,多自由度的量子隐形传态作为发展可拓展量子计算和量子网络技术的必经途径,成为近二十年来量子信息基础研究领域的一个巨大挑战。中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家实验室潘建伟和陆朝阳研究组与合作者,面对挑战,选取单光子自旋和轨道角动量作为研究对象,创造性地发展了多项新颖的多粒子多自由度的纠缠操纵技术,巧妙地设计了利用单光子非破坏测量技术实现自旋和轨道角动量多自由度贝尔态测量的新方案。经过多年艰苦努力,研究人员成功制备了国际上最高亮度的自旋-轨道角动量超纠缠源、高效率的轨道角动量测量器件,突破了以往国际上只能操纵两光子轨道角动量的局限,搭建了6光子11量子比特的自旋-轨道角动量纠缠实验平台,成功实现了多自由度量子体系的隐形传态。相关研究论文发表在2015年2月26日Nature[518:516—519]上。Nature杂志邀请国际知名量子光学专家Wolfgang Tittel教授在同期撰文评论认为:“该实验实现为理解和展示量子物理的一个最深远和最令人费解的预言迈出了重要的一步,并可以作为未来量子网络的一个强大的基本单元”。该成果已经被英国物理学会评为“2015年度国际物理学十大突破之首”。

利用现有的基因分型和 RNA 序列数据,研究小组在更广泛的遗传变异和基因表达背景下描述了种群内部和种群之间 DNA 甲基化变异。结果显示,人群特异性 DNA 甲基化,mRNA 水平和基因型之间存在着密切的联系。此外,研究人员还缩小了成千上万个特定人群的甲基化模式位点。通过更详细地观察这些甲基化变异,研究小组揭示了表观遗传变异的驱动因素、后果和速率。这些数据阐明了局部基因表达与附近 DNA 甲基化之间的联系。例如,就个体本身而言,局部遗传变异似乎能更好地预测甲基化变异。

2. 理论预言并实验验证外尔半金属的存在

“我们对五个世界人口种群的分析揭示了群体特异性 DNA 甲基化、mRNA 水平和基因型之间的强烈对应关系,”作者写道。“DNA 甲基化与遗传分化的相关性更强,与此一致的是,我们的研究结果表明,群体特异性 DNA 甲基化水平对遗传的控制强于 mRNA 的表达水平。”此外,研究人员也指出,这些甲基化的后果尚不清楚,他们表示:“我们所观察到的大多数变异可能没有任何重要影响,因此我们面临的挑战是找出哪些基因组区域是更为重要的,以及它们的 DNA 甲基化如何影响人类的性状,这还有很长的路要走。”

德国科学家外尔1929年指出,当质量为零时,狄拉克方程描述的是一对能量相同但具有相反手性的新粒子,即外尔费米子。80多年过去了,人们一直未能观测到这种神奇的粒子。中微子曾经被认为是外尔费米子的候选者,但后来发现中微子其实具有质量。近年来,拓扑绝缘体尤其是拓扑半金属等领域研究的快速发展为寻找外尔费米子提供了新的思路,它们可以作为准粒子存在于外尔半金属材料中。寻找外尔半金属材料是一个非常具有挑战性的科学问题,也是该领域国际竞争的焦点之一。2015年,中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室方忠研究组通过理论计算预言,TaAs家族材料就是要寻找的外尔半金属体系[Physical Review X(5, 011029)];陈根富研究组合成出了该材料的晶体,并观察到理论预测到的因手征反常导致的负磁阻效应[Physical Review X(5, 031023)];丁洪研究组与合作者用角分辨光电子能谱证实了理论预言的三维电子能谱和费米弧[Physical Review X(5, 031013); Nature Physics:724—727); Physical Review Letters(115,217601)]。中国科学家的该系列工作终于“找到”了外尔费米子这样一个隐身80多年的“幽灵”粒子。此外,美国普林斯顿大学的Z. Hasan研究组和清华大学的陈宇林研究组及合作者[Nature Physics:728—732)]也得到类似的结果。外尔半金属的发现提出了很多新的科学问题,同时也为开发低能耗电子器件等变革性技术提供了新的思路。该研究成果也入选英国物理学会“2015年度国际物理学十大突破”。

3. 揭示埃博拉病毒演化及遗传多样性特征

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