我國首次實(shí)現(xiàn)615公里開放式架構(gòu)雙場(chǎng)量子密鑰分發(fā)

近日，北京量子信息科學(xué)研究院袁之良團(tuán)隊(duì)，利用光頻梳技術(shù)首次實(shí)現(xiàn)開放式架構(gòu)雙場(chǎng)量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)，完成615公里光纖量子密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)。相關(guān)研究成果2023年2月18日發(fā)表在國際學(xué)術(shù)期刊《自然—通訊》上。

量子密鑰分發(fā)基于量子物理的基本原理和一次一密的加密方式，可實(shí)現(xiàn)無條件安全通信。2018年英國東芝歐洲研究所提出新型雙場(chǎng)協(xié)議，使得安全成碼率以信道衰減的平方根線性下降，在無中繼的情況下可突破碼率界限，是實(shí)現(xiàn)500公里以上光纖量子通信的可行方案。

袁之良團(tuán)隊(duì)基于自主開發(fā)的相干邊帶穩(wěn)相與異地激光源頻率校準(zhǔn)技術(shù)，研制出首個(gè)開放式架構(gòu)、無需服務(wù)光纖的新型雙場(chǎng)量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了低損耗光纖四百公里級(jí)、五百公里級(jí)、六百公里級(jí)的安全成碼，并且打破無中繼量子密鑰分發(fā)的碼率界限，還成功演示了臂長(zhǎng)差為百公里的量子密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)（目前最長(zhǎng)臂長(zhǎng)差記錄）。

相較之前的實(shí)驗(yàn)成果，量子信號(hào)光的相位漂移速率降低1000多倍，大大降低相位參考光的噪聲影響，有助于光纖量子密鑰分發(fā)距離向千公里級(jí)別突破?；诠忸l梳的開放式架構(gòu)有利于未來構(gòu)建多用戶多節(jié)點(diǎn)的城際量子保密網(wǎng)絡(luò)，并對(duì)基于單光子干涉的分布式量子網(wǎng)絡(luò)具有重要意義。

又添新證，穿山甲可能是蝙蝠冠狀病毒中間宿主

中東呼吸綜合征（MERS）冠狀病毒是一種高致病性新發(fā)冠狀病毒，研究認(rèn)為，蝙蝠源MERS簇冠狀病毒是MERS冠狀病毒的原始進(jìn)化祖先。

近日，武漢病毒所石正麗團(tuán)隊(duì)和合作伙伴在馬來穿山甲中發(fā)現(xiàn)了一株新型MERS簇冠狀病毒，并成功地進(jìn)行了分離鑒定。分析結(jié)果顯示，該病毒與蝙蝠HKU4冠狀病毒屬于同一個(gè)病毒種。

研究團(tuán)隊(duì)證實(shí)該病毒與MERS冠狀病毒類似，可高效利用人DPP4受體入侵細(xì)胞，且與人DPP4受體的結(jié)合能力要強(qiáng)于蝙蝠HKU4冠狀病毒。此外，該病毒的S蛋白上具有一處蝙蝠HKU4冠狀病毒所不具備的弗林酶切位點(diǎn)，導(dǎo)致該病毒可以被人源細(xì)胞的宿主蛋白酶切割，使其能更好地適應(yīng)人源細(xì)胞的入侵。該發(fā)現(xiàn)證明冠狀病毒感染性增強(qiáng)的弗林酶切位點(diǎn)完全可能由自然界進(jìn)化而產(chǎn)生。此外，研究還表明該病毒可能具有較廣的宿主范圍，且具有跨種感染人的潛在風(fēng)險(xiǎn)。

這項(xiàng)研究表明穿山甲可能是蝙蝠冠狀病毒的中間宿主，在蝙蝠冠狀病毒由自然宿主到人的傳播鏈中起到關(guān)鍵的橋梁作用。該發(fā)現(xiàn)凸顯了加強(qiáng)對(duì)潛在中間宿主動(dòng)物進(jìn)行病毒監(jiān)測(cè)和預(yù)警的必要性。

我國科學(xué)家提出鈣鈦礦太陽電池新結(jié)構(gòu)方案

異質(zhì)結(jié)接觸問題帶來的非輻射復(fù)合損失是鈣鈦礦電池主要的性能限制因素。由于“鈍化—傳輸”矛盾問題的存在，超薄鈍化層納米級(jí)別的厚度變化會(huì)引起填充因子和電流密度的降低。因此，亟須一種新型的接觸結(jié)構(gòu)，能夠在提高鈣鈦礦器件性能的同時(shí)大幅減少鈍化厚度的敏感性。

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)徐集賢教授團(tuán)隊(duì)及其合作者經(jīng)過長(zhǎng)期思考和大量實(shí)驗(yàn)探索，提煉出一種名為PIC（porous insulator contact，多孔絕緣接觸）的新型結(jié)構(gòu)方案。其主要思想是不依賴傳統(tǒng)納米級(jí)鈍化層和遂穿傳輸，而直接使用百納米級(jí)厚度的多孔絕緣層，迫使載流子通過局部開孔區(qū)域進(jìn)行傳輸，同時(shí)降低接觸面積。研究團(tuán)隊(duì)的半導(dǎo)體器件建模計(jì)算揭示了這種PIC結(jié)構(gòu)周期應(yīng)該與鈣鈦礦載流子傳輸長(zhǎng)度匹配的關(guān)鍵設(shè)計(jì)原理。

團(tuán)隊(duì)在疊層器件中廣泛使用的p-i-n反式結(jié)構(gòu)中開展了PIC方案的驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)了p-i-n反式結(jié)構(gòu)器件穩(wěn)態(tài)認(rèn)證效率的世界紀(jì)錄，并在多種基底和鈣鈦礦組分中展現(xiàn)了普遍的適用性。

類《終結(jié)者》液態(tài)機(jī)器人驚現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室

電影《終結(jié)者》中的液態(tài)機(jī)器人具備超凡變形的能力。現(xiàn)實(shí)生活中，海參可通過改變富含蛋白的原纖維間基質(zhì)的硬度來改變體壁外形。受兩者靈感啟發(fā)，中山大學(xué)、浙江大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)與卡耐基梅隆大學(xué)軟體機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室合作，提出了一種新型“磁控固—液相變材料”。該材料不僅具有固態(tài)金屬的硬度與承載力，還有液態(tài)金屬的形變能力。

為了充分利用液態(tài)金屬在特定條件下固—液切換的特性，研究團(tuán)隊(duì)將磁性顆粒混合融入液態(tài)金屬——鎵中。通過高頻的磁場(chǎng)加熱這一金屬后，該金屬會(huì)由原先的固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)。轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)后，又可以通過半導(dǎo)體制冷（珀耳帖效應(yīng)）或者自然冷卻來對(duì)金屬進(jìn)行降溫，從而使之由液態(tài)變?yōu)楣腆w。

此外，加入磁性顆粒后，施加的外部磁場(chǎng)還可以用來引導(dǎo)液態(tài)金屬移動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)，變形等。實(shí)驗(yàn)中，磁控機(jī)器人通過液化成功穿越牢籠，并使用欄桿外的模具重新凝固。

據(jù)悉，磁控固—液相變材料在未來主要有三個(gè)應(yīng)用方向，一是電子電路的修復(fù)；二是零部件的組裝；三是生物醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用。

特有干細(xì)胞群，科學(xué)家破譯鹿角再生之謎

人類憑借“優(yōu)越的大腦”站在地球食物鏈的頂端，但這并不意味著我們擁有“傲視群雄”的身體機(jī)能。例如，很多脊椎動(dòng)物都具備的附肢再生功能，人類就不具備。為此，科學(xué)家展開了各種探索。

鹿角是哺乳動(dòng)物中唯一能在自然情況下周期性完全再生的器官，其再生與哺乳動(dòng)物長(zhǎng)骨發(fā)育相似，對(duì)鹿角再生能力的研究，有助于人類進(jìn)一步了解哺乳動(dòng)物的再生機(jī)制。

近日，西北工業(yè)大學(xué)生態(tài)環(huán)境學(xué)院邱強(qiáng)、王文團(tuán)隊(duì)與其國內(nèi)外合作者建立了鹿角再生發(fā)育的細(xì)胞圖譜，系統(tǒng)描述了鹿角再生和快速生長(zhǎng)的細(xì)胞分子機(jī)制，從而發(fā)現(xiàn)了鹿角再生過程中特有的干細(xì)胞群，這一干細(xì)胞群是鹿角再生能力的核心細(xì)胞群，是鹿角再生能力的必要條件。通過進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證表明，該細(xì)胞群展現(xiàn)出了極強(qiáng)的自我更新、成骨和軟骨分化以及骨骼修復(fù)的能力。該研究為哺乳動(dòng)物骨骼修復(fù)和人類骨骼的再生醫(yī)學(xué)提供了新的研究方向。

會(huì)鉆地可降解，仿生載體為種子保駕護(hù)航

自然界中，牻牛兒苗的種子自帶彎曲的尾巴，像“鉆頭”一樣，將種子推入地下，提升種子發(fā)芽率。受此啟發(fā)，卡內(nèi)基梅隆大學(xué)姚力寧、雪城大學(xué)張騰、賓夕法尼亞大學(xué)楊澍、浙江大學(xué)王冠云合作設(shè)計(jì)制造了一種基于橡木吸濕性的機(jī)器人作為種子載體用于空中播種，在平坦土地上的種子鉆孔成功率為 80%。

團(tuán)隊(duì)通過不同方式的成型和干燥過程，改變了天然白橡木材的曲率，使其在保持 36% 的剛度的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)高達(dá)45倍的彎曲曲率。隨后，將該木材放置在 3D 打印模具上，制作以牻牛兒苗種子為靈感的三尾自埋種子載體。該載體三個(gè)尾端的配置可以更有效地錨定，并產(chǎn)生更大的旋轉(zhuǎn)和推力，增加初始鉆探成功率；隨著空氣中含水量增加或地面的變濕，線圈主體及尾巴會(huì)改變形狀并展開，從而產(chǎn)生一種鉆孔作用，將種子安全地埋在土壤表面以下；干燥時(shí)，尾部倒轉(zhuǎn)，將種子推入土壤更深處；而調(diào)整種子載體不同的尖端和整體尺寸可以適應(yīng)不同的有效載荷。

逐級(jí)懸浮3D打印，造一顆有“靈魂”的心

生物3D打印技術(shù)已不是新鮮事物，但是現(xiàn)階段3D打印復(fù)雜器官，往往徒具其“形”，缺乏內(nèi)在“靈魂”——器官內(nèi)部血管網(wǎng)絡(luò)。

為此，清華大學(xué)機(jī)械系熊卓副教授、張婷副研究員課題組研發(fā)了一種逐級(jí)懸浮3D打印技術(shù)，簡(jiǎn)稱SPIRIT技術(shù)。該技術(shù)在打印復(fù)雜器官結(jié)構(gòu)的同時(shí)耦合構(gòu)建血管網(wǎng)絡(luò)。第一級(jí)打印，在懸浮介質(zhì)中打印生物墨水，獲得組織和器官的復(fù)雜外部結(jié)構(gòu)；第二級(jí)打印，將犧牲墨水打印到初次打印但未交聯(lián)的結(jié)構(gòu)中，獲得自由形態(tài)的血管網(wǎng)絡(luò)；原位交聯(lián)使打印結(jié)構(gòu)定型，同時(shí)通過去除懸浮介質(zhì)和犧牲墨水獲得含自由血管網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜器官。

這項(xiàng)技術(shù)的關(guān)鍵在于使用一種能夠同時(shí)作為打印墨水和懸浮介質(zhì)的生物材料。該材料為課題組前期開發(fā)的微凝膠雙相生物墨水，其在較寬的溫度范圍內(nèi)表現(xiàn)出良好的剪切稀化、自愈合以及快速光交聯(lián)特性，是理想的“墨水材料”。利用SPIRIT技術(shù)和新材料，課題組成功打印構(gòu)建了含可灌注血管網(wǎng)絡(luò)的心室模型，實(shí)現(xiàn)了對(duì)現(xiàn)有生物3D打印技術(shù)的突破。