近期科研成果速览（九月上）

本期目录

2.中国科大在一/二价离子选择性分离膜精密构筑方面取得新进展

3.中国科大光寿红课题组揭示核仁RNA干扰通路调控核糖体RNA水平的分子机制

4.中国科大完成基于颜色擦除强度干涉的高空间分辨成像

5.中国科大解析了分枝杆菌的管状运输通道蛋白

6.中国科大在机器学习提高超导量子比特读取效率上取得重要进展

01

NEWS

中国科大在高噪声环境下

实现高效的高维量子通信

近日，中国科大郭光灿院士团队在高维量子通信研究中取得重要进展，该团队李传锋、柳必恒研究组与奥地利Marcus Huber教授等人合作，在高噪声环境下实现了高效的高维量子通信。该成果9月10日发表在国际知名期刊《物理评论快报》上。

近年来，李传锋、柳必恒研究组致力于高维量子通信网络的实验研究，在高维纠缠的制备与传输等方面取得一系列进展，包括制备出了世界上保真度最高的32维量子纠缠态，实现了高维纠缠态在11公里光纤中的有效传输等。

实验装置图

在本实验中，研究结果表明：在噪声较小时，高维全空间编码能取得最佳的编码效率。具体而言，利用4维纠缠态和8维纠缠态，经过纠错和保密放大等后处理后，每对纠缠光子依然可以得到大于1比特的密钥，超越了两维比特系统所能达到的极限。而随着噪声增大，采用高维部分子空间编码的方式则更能对抗噪声的影响，实验结果显著优于两维比特系统，从而保证在高噪声环境中依然能实现高效的高维量子通信。

该成果实验验证了高维量子通信的优势，并为不同大小噪声环境下实现高效的高维量子通信过程提供了可行的途径。

论文链接：
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.127.110505

详细阅读：

http://news.ustc.edu.cn/info/1048/76687.htm

02

NEWS

中国科大在一/二价离子选择性

分离膜精密构筑方面取得新进展

近日，中国科大徐铜文教授团队在一/二价离子选择性分离膜精密构筑方面取得突破进展，报道了一种亚2-nm共价有机框架（COFs）膜，并表现出较高的一价阳离子渗透速率和极低的二价阳离子透过率，实现了高效的离子传输与分离。该研究成果发表在国际著名期刊Advanced Materials杂志上。

徐铜文教授团队提出了利用分子自组装特性，通过调控侧链次级相互作用，构筑和调控离子选择性传输通道的新策略。利用表面原位聚合反应，实现超薄分离层中纳米锥形孔的构筑，缩短了离子传质路径，强化离子在膜内的传质行为。为了深入研究离子在限域孔道内的传质行为及分离机理，团队提出以具有规则孔道结构、骨架结构参数明确的多孔框架材料为模型，在埃米精度下实现离子传输通道的精确定制和孔道性质精密调控，达到了离子高效、精准分离的效果，定量化通道关键结构参数，初步揭示了离子限域传质机制。

亚2-nm COFs膜利用氢键作用实现高效离子筛分

研究表明，构建具有丰富氢键位点的COFs多孔膜，在保持离子渗透速率的同时，能显著提高离子选择性。本工作不但为离子在亚2-nm受限空间中的传输机制提供了理论基础，同时也为聚合物基离子选择性分离膜的结构设计与调控提供了理论指导。

详细阅读：

http://news.ustc.edu.cn/info/1048/76608.htm

论文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202104404

03

NEWS

中国科大光寿红课题组

揭示核仁RNA干扰通路

调控核糖体RNA水平的分子机制

近日，中国科大生命科学与医学部和第一附属医院冯雪竹研究员和光寿红教授课题组以模式生物秀丽隐杆线虫为模型，发现了核仁RNA干扰现象：即反义核糖体小干扰RNA(risiRNA)可以诱导NRDE复合物进入细胞核仁中，并结合核糖体RNA前体；通过抑制RNA聚合酶I的转录活性，进而调控核糖体RNA的合成水平，抑制错误核糖体RNA代谢的积累。研究成果发表在Nucleic Acids Research上。

siRNA是一类长度约为22个核苷酸长的非编码小RNA，广泛存在动植物中，在机体的生长发育、生殖遗传和免疫防御等方面行使重要功能，也是优秀的药物分子。光寿红课题组多年来以秀丽隐杆线虫为研究对象，通过正向和反向遗传学筛选，鉴定了一系列抑制内源siRNA产生的SUSI因子，该类因子广泛参与了细胞中核糖体RNA加工和降解的过程。当SUSI因子功能缺陷时，细胞内会积累错误加工的核糖体RNA片段，这些片段与RNA依赖的RNA聚合酶相互作用后，会进一步诱导risiRNA的生成。risiRNAs与核糖体RNA序列互补配对，通过激活细胞核RNA干扰通路，进而调控核糖体RNA水平。

在本研究中，课题组确认了RNA外切酶体任何亚基的功能缺陷都能引起risiRNA的积累。risiRNA诱导细胞核RNA干扰关键因子NRDE-2和NRDE-3进入核仁中，结合核糖体RNA前体，进而抑制RNA聚合酶I的转录活性。研究中还发现RNA外切酶体通过亚细胞定位的变化可以响应细胞核内核糖体RNA的稳态。RNA外切酶体在多种RNA的加工代谢过程中行使重要功能，主要定位于细胞核仁中。细胞内核糖体RNA稳态失衡会导致RNA外切酶体从核仁中移位于核质中。RNA外切酶体的正确亚细胞定位对于抑制risiRNA产生具有重要作用。

详细阅读：

http://news.ustc.edu.cn/info/1048/76572.htm

论文链接：

https://academic.oup.com/nar/advance-article/doi/10.1093/nar/gkab662/6345473

04

NEWS

中国科大完成基于颜色擦除

强度干涉的高空间分辨成像

近日，中国科大潘建伟、张强等与合作者利用济南量子技术研究院研制的周期极化铌酸锂波导，搭建颜色擦除强度干涉仪，成功分辨出1.43km距离外相距4.2mm的两个不同波长（1063.6nm和1064.4 nm）光源，以超过单望远镜衍射极限40倍的结果验证了颜色擦除强度干涉技术具备高空间分辨成像能力，拓展了强度干涉技术的应用范围，有望被应用于天文观测、空间遥感和空间碎片探测等领域，相关成果发表在国际知名学术期刊《物理评论快报》上。

干涉仪被广泛用于各种高空间分辨成像技术中，以突破单镜片有限孔径下的分辨率极限（衍射极限）。2016年，美国物理学家，诺贝尔奖获得者Frank Wilczek和其同事在理论上提出，将基于频率转换原理的颜色擦除探测器引入强度干涉仪，可以使得进入探测器的不同波长光子也发生干涉并提取出相位信息。他们将这种新技术命名为颜色擦除强度干涉技术。随后，潘建伟小组利用济南量子院自主研制的周期极化铌酸锂波导首次搭建了颜色擦除单光子探测，并基于此在实验室内原理演示了强度干涉技术。

为了验证该技术具备高空间分辨成像能力，该小组在上海开展了外场实验。如图所示，他们利用两种不同波长的泵浦光分别泵浦并联的两个PPLN波导，实现了无法分辨1063.6nm和1064.4 nm光子差异的颜色擦除探测器，并用两个这样的探测器搭建了80cm基线长度的强度干涉仪对1.43km外的相距4.2mm的两个不同波长光源目标进行测量。获得实验数据后，他们在理论上提出了一种相位拟合的算法得到了两个光源的角距离，结果超过了实验所使用的单台10.9mm望远镜衍射极限的40倍，成功验证了该系统的高空间分辨成像能力。《物理评论快报》杂志审稿人评价“这项工作为超越由孔径大小决定的传统衍射极限提供了一种新的有趣成像方法。

详细阅读：

http://news.ustc.edu.cn/info/1048/76551.htm

论文链接：

https://doi.org/10.1111/poms.13366https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.127.103601

05

NEWS

中国科大解析了分枝杆菌的

管状运输通道蛋白

分枝杆菌具有非常复杂的包膜结构，是分枝杆菌抵御外界压力的天然屏障。由于这种特有的复杂包膜结构，分枝杆菌与外界环境或宿主之间的物质运输具有独特的性质。并且分枝杆菌包膜上的通道可以分泌毒力因子和促进抗生素外排，从而帮助分枝杆菌致病，因此是很好的治疗靶标。但分枝杆菌细胞壁和荚膜上的物质运输通路目前还知之甚少。

近日，以我校微尺度物质科学国家研究中心龚为民教授和加州大学洛杉矶分校的周正洪教授为主的课题组合作，分别通过X射线晶体学和冷冻电镜方法测定了结核分枝杆菌中的未知功能蛋白Rv3705c及其在耻垢分枝杆菌中的同源蛋白MSMEG_6251的三维结构，发现这两个蛋白均能在体外自组装为管状结构。通过一系列分子生物学和生物化学实验显示该蛋白在分枝杆菌外膜上发挥通道作用。因此将该蛋白命名为TiME。该成果在线发表在国际著名学术期刊Science Advances上。

该研究首次在分枝杆菌荚膜中发现物质运输通道，为研究致病性分枝杆菌的物质运输机制和开发新的药物靶点提供了新的线索和思路。

详细阅读：

http://news.ustc.edu.cn/info/1048/76552.htm

论文链接：

https://advances.sciencemag.org/content/7/34/eabg5656

06

NEWS

中国科大在机器学习提高超导

量子比特读取效率上取得重要进展

近期，中国科大郭光灿院士团队在机器学习提高超导量子比特读取效率上取得重要进展。该团队郭国平教授研究组与本源量子计算公司合作，在本源“夸父”6比特超导量子芯片上研究了串扰对量子比特状态读取的影响，并创新性地提出使用浅层神经网络来识别和读取量子比特的状态信息，从而大幅度抑制了串扰的影响，进一步提高了多比特读取保真度。该成果以研究长文的形式发表在国际应用物理知名期刊《Physical Review Applied》上。

对量子比特状态的高保真度测量是量子计算中的关键一环。由于各种形式的杂散耦合的存在，邻近比特的状态可能会对目标比特的测量结果产生影响，从而降低测量保真度，进而降低量子算法的成功率。随着量子芯片的进一步扩展，为了进一步提高读取保真度，如何解决上述串扰问题将成为研究者们面临的主要挑战。

传统量子比特读取方案以及串扰的影响

郭国平教授研究组通过对量子比特信息提取过程的抽象和模拟，提出一种新的量子比特读取方案：通过训练基于数字信号处理流程构建的浅层神经网络，实现对量子比特状态的精确识别与分类。研究人员将这一方案应用到本源“夸父”6比特超导量子芯片上，实验发现，新的读取方案不仅有效提升了6比特的读取保真度，而且大幅度抑制了读取串扰效应。同时，由于新方案中的数据处理可以进一步简化为单步矩阵运算，未来可以直接转移到FPGA上，从而实现对量子比特状态的0延时判断以及对量子比特的实时反馈控制。该方案不仅适用于超导量子计算，也同时适用于其他量子计算物理实现方案。

详细阅读：

http://news.ustc.edu.cn/info/1048/76553.htm

论文链接：

https://journals.aps.org/prapplied/abstract/10.1103/PhysRevApplied.16.024063

来源：中国科学技术大学