来源：中国科学技术大学
新学期新展望
寒假归来，一起来看看科大人
在寒假期间又在科研领域中
取得了哪些新突破吧！
本期目录
1.中国科大首次实现波导模式编码量子逻辑门
2.中国科大首次发现星系中心高速外流在百光年尺度上的加速现象
3.中国科大在基于铁电隧道结的类脑突触原型器件研究中取得新进展
4.中国科大在肿瘤组织微观磁成像技术方面取得重要进展
5.中国科大首次实验排除实数形式的标准量子力学
6.中国科大在利用电气石硼同位素示踪俯冲带流体活动方面取得新进展
7.中国科大揭示细胞质膜鞘磷脂辅助胞内胆固醇外排的分子机制
8.国产高光谱观测卫星GF5-02成功捕获汤加火山喷发产生的SO2烟羽分布
9.中国科大发现人类胆汁酸外排蛋白ABCB11的一种新颖底物结合和转运机制
中国科大首次实现波导模式编码量子逻辑门
我校郭光灿院士团队在光量子芯片研究中取得重要进展。该团队任希锋研究组与浙江大学光电科学与工程学院/现代光学仪器国家重点实验室戴道锌团队合作，国际首次实现了片上波导模式编码的两比特量子逻辑门操作，相关成果于2月11日在国际知名学术期刊《物理评论快报》发表。
为了实现大规模光量子系统，多光子、多自由度和高维编码是必然途径。该成果为波导模式编码量子操作铺平了道路，也可用于片上多自由度光量子信息处理。审稿人一致认为这是一个重要的研究工作，给出高度评价：“The two new components TMDDC and MMA invented here are important（新发明的两种器件TMDDC和MMA很重要）”、“I believe that the work presented in this letter will provide essential tools in that field（我相信这个工作将在相应研究领域中提供必要工具）”。
光子波导模式编码量子控制非门芯片示意图
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http://news.ustc.edu.cn/info/1055/78392.htm
论文链接：
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.128.060501
中国科大首次发现星系中心高速外流在百光年尺度上的加速现象
中国科学技术大学天文学系王挺贵教授与刘桂琳教授团队特任副研究员何志成博士创建了一套全新的测量星系电离气体物理性质的方法，首次发现活动星系中心高速外流在百光年尺度上的加速现象，该尺度超出经典的黑洞-吸积盘风尺度达两个数量级以上。该成果以“Evidence for quasar fast outflows being accelerated at the scale of tens of parsecs”为题，于2022年2月12日在线发表于国际知名学术期刊《科学进展》（Science Advances）上。
中国科大天文系何志成等人建立的测量星系电离气体密度的全新方法克服了传统方法受到气体速度弥散限制的缺点。在当今时域天文日新月异、重复观测数据大量积累的时代，该研究团队将致力于在目前初试锋芒应用于单目标和小样本的基础上，充分开掘这一套新方法的潜力，将其发展成为测量电离气体密度的通用方法。
活动星系中心引擎：活跃的巨型黑洞吸积周边物质，形成旋转的吸积盘，产生的强烈电磁辐射可超过其所在星系恒星光度总和的千倍以上，对星系整体演化产生重要影响（图片来源：NOIRLab/NSF/AURA/J. da Silva）
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http://news.ustc.edu.cn/info/1055/78384.htm
论文链接：
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abk3291
中国科大在基于铁电隧道结的类脑突触原型器件研究中取得新进展
中国科学技术大学李晓光教授团队在高性能类脑突触原型器件方面取得了重要进展。在前期研究基础上，该团队基于对铁电畴形态和翻转动力学的设计，在铁电量子隧道结中实现了亚纳秒电脉冲下电导态可非易失连续调控的类脑突触器件，可用于构建人工神经网络类脑计算系统，该成果以“High-precision and linear weight updates by subnanosecond pulses in ferroelectric tunnel junction for neuro-inspired computing”为题发表于《自然通讯》杂志上（Nat. Commun.）。
以神经网络为代表的类脑人工智能技术正深刻影响人类社会。但目前运行神经网络计算的硬件系统依然基于传统硅基运算器与存储器，能效远低于人脑。研发具有神经形态模拟功能的类脑器件，如神经网络硬件系统的核心器件——电子突触，是进一步推进人工智能发展的重要途径之一。研究人员制备了高质量Ag/PbZr0.52Ti0.48O3(PZT~1.2 nm，(111)取向)/Nb:SrTiO3铁电隧道结。通过PZT超薄厚度和(111)取向的设计，获得了更小的铁电畴和更连续的翻转动力学行为，更丰富的铁电多畴亚稳态利于类脑突触器件中多态的可控调节。
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http://news.ustc.edu.cn/info/1048/78388.htm
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41467-022-28303-x
中国科大在肿瘤组织微观磁成像技术方面取得重要进展
中国科学技术大学中科院微观磁共振重点实验室杜江峰、石发展等与生命科学与医学部魏海明教授等合作，在金刚石氮-空位色心量子精密测量技术的生物医学应用方面取得重要进展，首次建立了肿瘤组织免疫磁显微成像技术，实现了组织水平微米分辨率的磁成像，其具有高稳定性、低背景和肿瘤标志物绝对定量的优势，同时实现了磁和光的多模态成像。相关研究成果于2022年1月26日以“Immunomagnetic microscopy of tumor tissues using quantum sensors in diamond”为题发表在《美国国家科学院院刊》上[Proc Natl Acad Sci U S A 119(5),e2118876119(2022)]。
该工作是杜江峰院士团队继实现单分子磁共振谱学[Science 347, 1135(2015); Nature Methods, 15, 697(2018)]和10nm级分辨率细胞磁成像[Sci. Adv. 5, eaau8038(2019)]之后，将基于金刚石NV色心的量子精密测量技术交叉应用于生物医学领域的又一次成功尝试，对癌症的研究和临床诊断都有重要意义。
肺癌组织的微米分辨率磁成像
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http://news.ustc.edu.cn/info/1048/78334.htm
论文链接：
https://www.pnas.org/content/119/5/e2118876119
中国科大首次实验排除实数形式的标准量子力学
中国科学技术大学潘建伟、陆朝阳、朱晓波等和西班牙塞维利亚大学Cabello教授合作，利用超高精度超导量子线路实现确定性纠缠交换，以超过43个标准差的实验精度证明了实数无法完整描述标准量子力学，确立了复数的客观实在性。相关研究成果近日以“编辑推荐”的形式发表在《物理学评论快报》上。美国物理学会Physics网站和《自然》杂志分别邀请国际专家撰写了相关Viewpoint和News& Views评论文章。
量子物理是否确实必须使用复数，是一个长期的基础性问题。近期，奥地利、西班牙和瑞士等国家组成的科学家团队提出一种利用确定性纠缠交换验证复数必要性的贝尔不等式类型的检验方法。遵守实数形式量子物理的参与者不能获得标准量子理论中允许的界限，从而排除以实数形式描述标准量子力学的可能性。潘建伟团队基于自主设计研发的超导量子线路和高精度量子操控技术，在世界上首次完成了该实验。在这个理论框架下，实数形式的界限为7.66，而实验测试结果为8.09，超过判据43个标准差。实验结论支持量子物理需要使用复数。
实验结果
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http://news.ustc.edu.cn/info/1048/78333.htm
论文链接：
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.128.040403
美国物理学会APS网站报道：
https://physics.aps.org/articles/v15/7
《自然》相关评述文章：
https://www.nature.com/articles/d41586-021-03678-x
ScienceNews报道：
https://www.sciencenews.org/article/quantum-physics-imaginary-numbers-math-reality
中国科大在利用电气石硼同位素示踪俯冲带流体活动方面取得新进展
最近，中国科大地空学院陈伊翔教授研究组在利用电气石硼同位素示踪俯冲带流体来源和性质方面取得新进展。他们在全球典型的大陆俯冲带中发现了地幔楔蛇纹岩来源流体反向交代深俯冲陆壳的地球化学证据，制约了从大洋俯冲到大陆碰撞过程中的壳源流体交代地幔和幔源流体交代地壳这两类壳幔相互作用。相关成果发表在2022年1月25日出版的国际地球化学知名期刊《Geochimica et Cosmochimica Acta》上。
陈伊翔团队的研究成果揭示，电气石的原位硼同位素分析是识别俯冲带深部流体来源和性质的有效工具。对一些地球上典型的大陆碰撞造山带，尽管从地质组成和岩石特征上很难识别先前大洋板片俯冲的贡献，但是通过一些特征性元素的同位素(如硼同位素)分析可以穿云拨雾，揭示出大洋俯冲过程中的壳源流体交代地幔到大陆碰撞过程中的幔源流体交代地壳这两类壳幔相互作用。结合该团队前期一系列工作，该成果进一步查明了西阿尔卑斯造山带Dora-Maira地体白片岩的原岩属性、流体交代和构造演化过程，改变了教科书中关于该类岩石成因的流行认识。
不同深度地幔楔硼同位素组成的数值模拟结果
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http://news.ustc.edu.cn/info/1048/78335.htm
论文链接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0016703722000126
中国科大揭示细胞质膜鞘磷脂辅助胞内胆固醇外排的分子机制
中国科学技术大学生命科学与医学部陈宇星教授和周丛照教授课题组利用单颗粒冷冻电镜技术解析了分辨率约为3.3Å的人类胆固醇外排转运蛋白ABCG1与底物胆固醇、ATP及鞘磷脂分子复合物三维结构。基于结构开展的一系列生物化学和细胞生物学研究，揭示了胆固醇经由ABCG1跨膜外排的分子机制，发现胆固醇接收器和膜上鞘磷脂分子是外排活性所必需的。相关研究成果以“Structure and Transport Mechanism of the Human Cholesterol Transporter ABCG1”为题于2022年1月25日在线发表在《Cell Reports》上。
研究团队提出了一个ABCG1介导胆固醇外排机制模型：鞘磷脂协助胆固醇与ABCG1结合，并参与形成完整的结合口袋以稳定底物分子，胞外结合的HDL促进胆固醇从ABCG1底物口袋中外排。该研究不仅揭示了ABCG1与胆固醇的相互作用模式以及HDL对于胆固醇外排转运的重要性，也进一步完善了胆固醇代谢的调控网络，对胆固醇代谢失调相关疾病的防治具有重要的理论指导意义。
ABCG1的三维结构及其介导胆固醇转运的分子机制
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http://news.ustc.edu.cn/info/1048/78310.htm
论文链接：
https://www.cell.com/cell-reports/fulltext/S2211-1247(22)00004-3
国产高光谱观测卫星GF5-02成功捕获汤加火山喷发产生的SO2烟羽分布
中国科学技术大学工程科学学院与生态环境部卫星环境应用中心共建的大气环境遥感创新与研发基地采用完全自主开发的大气污染物超光谱遥感算法，成功捕获1月汤加火山喷发产生的大量二氧化硫（SO2）烟羽分布。
中国科学技术大学大气环境遥感团队长期从事于大气污染成分和温室气体遥感监测算法和硬件的开发和研究，近年来在大气遥感监测领域取得了一系列原创性的科研成果，实现国产卫星载荷反演结果质量达到国际最先进卫星的同等水平。本次基于国产EMI-II载荷的汤加火山SO2烟羽观测表明，我国的高光谱卫星能够在全球突发事件的监测中发挥重要作用。
1月17日（UTC）GF5-02/EMI观测到汤加火山喷发产生的SO2羽流
中国科大发现人类胆汁酸外排蛋白ABCB11的一种新颖底物结合和转运机制
近日，中国科学技术大学生命科学与医学部陈宇星教授和周丛照教授课题组，利用单颗粒冷冻电镜技术解析了一系列人类胆汁酸外排蛋白ABCB11与其生理底物—牛磺胆酸钠的复合物的三维结构，发现该蛋白内部存在两个串联的底物结合口袋，借助一系列生化实验阐明了ABCB11特异性外排胆汁酸的分子机制。该研究成果以“Structures of human bile acid exporter ABCB11 reveal a transport mechanism facilitated by two tandem substrate-binding pockets”为题于2022年1月18日在线发表在《Cell Research》上。
胆汁盐是人体胆汁中最重要的兼性分子，有助于脂类和脂溶性维生素的消化。胆汁盐的外排阻滞将导致一系列胆汁淤积相关疾病，如进行性家族性肝内胆汁淤积（PFIC）。该研究成果不仅有助于我们深入理解胆汁酸的转运机制，同时也为胆汁淤积症等疾病的治疗干预和药物设计提供了结构基础。
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