高閾值低開銷的容錯量子存儲

《自然》

高閾值低開銷的容錯量子存儲

《自然》封面：新方案所需量子比特連接的藝術想象圖，其中每個量子比特需要與其他6個相互作用。這些量子比特就像放在環(huán)面上一樣彼此連接。《自然》雜志第8005期封面文章報道了IBM研究團隊提出的一個量子計算機低開銷糾錯方案。錯誤積累阻礙了量子計算機的使用；盡管可以通過設計線路來檢測和糾正錯誤，但這通常需要大量額外的量子比特。研究團隊使用了低密度奇偶校驗碼，通過檢測多個對稱性來糾錯，每個對稱性只需一小部分量子比特支持。這種碼只需要十分之一的量子比特，這可以讓糾錯量子計算機的大小遠小于此前設想。

宿主-微生物群相互作用組揭示廣泛的跨界連接

《自然》封面：一種細菌和一個酵母細胞間某種相互作用的藝術再現(xiàn)圖。《自然》雜志第8006期封面文章報道了人體組織與微生物群之間相互作用的圖譜。人體生理機能受到構成微生物組的大量微生物的影響，但這些影響的分子基礎基本未知。因此，研究團隊設計了名為BASEHIT（中文擬譯“壘打”）的系統(tǒng)，能夠用酵母克隆表現(xiàn)人體細胞外蛋白和分泌蛋白（統(tǒng)稱為“外蛋白”）；再篩選這些蛋白與已知居于人體內(nèi)不同組織的數(shù)百種共生菌的相互作用；最后得到的相互作用組揭示了數(shù)千種之前未知的分子水平的宿主-微生物相互作用。

昆蟲生存危機

《自然》封面：大青葉蟬。《自然》雜志第8007期封面5篇文章集中報道了昆蟲種群面對的環(huán)境挑戰(zhàn)，以及氣候變化可能是一個被低估的關鍵影響因子。第一篇論文分析了27年的昆蟲生物量數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)和氣候變化有關的氣候異常可能會影響溫帶昆蟲的生物量。第二篇論文指出氣候變化導致的變暖可能會威脅美國的蜜蜂多樣性。第三篇論文預測由于人為導致的環(huán)境變化（包括氣候變化），適合歐洲熊蜂物種的棲息地將嚴重減少。第四篇論文分析了歐洲殺蟲劑的使用對熊蜂的負面影響。第五篇論文研究了昔日豐富物種的衰退如何導致昆蟲喪失。

采伐管理保護大型瀕危哺乳動物

《自然》封面：非洲森林象、西部低地大猩猩和黑猩猩。《自然》雜志第8008期封面文章報道了森林管理委員認證對西赤道非洲哺乳動物種群的影響。商業(yè)性采伐影響全球超過1/4的熱帶林，森林管理委員會為推動可持續(xù)實踐，通過森林管理認證體系保護生態(tài)多樣性。研究團隊從14個采伐特許區(qū)的474個觸發(fā)相機點采集了近130萬張照片。他們在森林管理委員認證林發(fā)現(xiàn)了比非森林管理委員認證林更多的哺乳動物。這種影響在大型且易危的哺乳動物中尤其顯著。這些結(jié)果表明，對于有采伐的熱帶林，較大型、更瀕危的哺乳動物可從認證中獲益。

（本頁期刊封面圖來自《自然》官網(wǎng)）

《科學》

海藻中的固氮細胞器

《科學》封面：越來越多的固氮細胞器證據(jù)。《科學》雜志第6692期封面文章報道了一種能在真核生物中固定氮氣的新型細胞器。真核細胞非常復雜，例如它們有各種各樣的細胞器，這些細胞器是具有特定功能的膜結(jié)合結(jié)構。其中兩種細胞器——線粒體和葉綠體，在呼吸和光合作用中起作用。學家發(fā)現(xiàn)了第一種固氮真核生物，通過一種新型細胞器來固定氮氣。這一細胞器從貝氏布拉藻細胞中獲得生長所需的蛋白質(zhì)，并占據(jù)這一藻類細胞體積的8%以上。它缺乏光合作用和制造遺傳物質(zhì)所需的關鍵蛋白質(zhì)，因此必須依賴于藻類產(chǎn)生的許多蛋白質(zhì)。

預測共價修飾、小分子的蛋白質(zhì)結(jié)構

《科學》封面：氨基酸和短肽的背景云聚集。《科學》雜志第6693期封面文章報道了一種突破性的計算工具。這種工具通過學習生成具有針對非蛋白質(zhì)靶標的優(yōu)化相互作用譜的蛋白質(zhì)，從而克服了早期技術的局限性。它能夠超越多肽鏈限制，涵蓋整個生物分子系統(tǒng)的復雜性和多樣性，包括蛋白質(zhì)、核酸、小分子、金屬離子和各種共價修飾。一系列的實驗表征強調(diào)了新型計算工具在生物分子相互作用方面的實用性，可能為合理設計新的治療方法和生物傳感器鋪平道路。雖然預測精度仍有進一步提高的空間，但這項工作標志著生物分子建模和設計領域的重大飛躍。

慈鯛魚類適應性輻射中特定生態(tài)位行為傾向的遺傳學

《科學》封面：非洲中部坦噶尼喀湖一只雄性帝王慈鯛進入繁殖情緒。《科學》雜志第6694期封面文章報道了非洲坦噶尼喀湖在不到1000萬年的時間里進化出了大約250種慈鯛魚，研究人員將這些魚的探索行為與生態(tài)位適應聯(lián)系起來，并確定了一種對這一物種的探索行為有強烈影響的遺傳變異。探索性行為在不同慈鯛魚物種之間差異顯著，且具有高度的遺傳一致性。這意味著探索性行為受遺傳因素控制，并可能存在特定的遺傳機制。探索性行為與宏觀生境適應相關。更傾向于底棲和體形較大的物種，其探索性行為更強。

在孤立村莊中進行結(jié)構化實驗誘導不同結(jié)果的社交濡染

《科學》封面：展示一個社交濡染的過程。《科學》雜志第6695期封面文章報道了研究人員在位于洪都拉斯偏遠村莊內(nèi)進行的實驗中，評估了一種用于確認可作為有效信息傳播目標者的新策略。了解人類社交網(wǎng)絡的結(jié)構和功能已經(jīng)產(chǎn)生了利用社交濡染的見解。社交濡染是指某些行為、態(tài)度和做法在群體成員中的傳播。這種方法或可用于散布重要信息，其中包括有關公共衛(wèi)生干預措施的信息。然而，在面對面的社交網(wǎng)絡中刻意助長社交濡染需要找出具有影響網(wǎng)絡結(jié)構能力的個人或“種子”，這樣才能將信息外溢的效應最大化。

（本頁期刊封面圖來自《科學》官網(wǎng)）

量子技術

基于固態(tài)量子存儲實現(xiàn)跨越7公里的分布式光量子計算

中國科學技術大學郭光燦院士團隊在量子網(wǎng)絡領域取得重要進展——基于多模式固態(tài)量子存儲和量子門隱形傳送協(xié)議在合肥市區(qū)實現(xiàn)了跨越7千米的非局域量子門。相關成果發(fā)表于《自然·通訊》（Nature Communications）。分布式量子計算是解決量子計算可擴展性難題的一條可行路徑，它通過非局域量子門連接獨立的量子計算節(jié)點，從而整合量子網(wǎng)絡中的算力資源來實現(xiàn)量子計算規(guī)模的提升。然而，非局域量子門目前僅在數(shù)十米的尺度下實現(xiàn)實驗演示，無法滿足在大尺度量子網(wǎng)絡中整合算力資源的需求。這項工作首次在城市距離上實現(xiàn)分布式光量子計算的演示，展示了基于量子存儲和通信光纜構建分布式量子計算網(wǎng)絡的可行性。

電池內(nèi)微區(qū)電化學演化的原位量子傳感

中國科學院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心的索鎏敏研究員團隊與劉剛欽研究員、鄭慧婕副研究員團隊合作，提出了一種基于金剛石量子傳感的電池內(nèi)原位監(jiān)測、無損表征方法。相關成果發(fā)表于《設備》（Device）。研究團隊設計了原位納米微區(qū)量子探測-電池一體化方案，利用金剛石NV色心亞微米級空間分辨率及其對磁場變化的高敏感性，實現(xiàn)了對電池活性物質(zhì)物性納米微區(qū)的原位探測；還基于多線程傳感實現(xiàn)了高分辨電極內(nèi)磁場的分布探測；基于多線程測量方式，實現(xiàn)了極片尺度磁場和溫度分布的測試。研究結(jié)果展示了金剛石量子傳感在微區(qū)電化學研究方面的獨特優(yōu)勢。

經(jīng)典模擬變分量子算法的多項式新途徑

清華大學丘成桐數(shù)學科學中心教授劉正偉、邵鈺菓、魏付川，與北京雁棲湖應用數(shù)學研究院助理研究員程嵩等人合作，提出了一種計算含噪聲量子線路期望值的高效方法：“泡利基上的算符反向傳播”，這一變分量子算法在精度和速度上均優(yōu)于量子硬件，并可應用于更廣泛類別的量子電路中。相關成果發(fā)表于《物理評論快報》（Physical Review Letters）。這項工作在數(shù)值上通過對IBM相關量子比特處理器的經(jīng)典模擬，驗證了這一方法在精度和運行速度上均優(yōu)于量子硬件，能夠準確模擬還原噪聲影響下的實驗結(jié)果。此外，研究還揭示了噪聲與經(jīng)典可模擬性的關系，展示了方法在更廣泛類別的量子電路中的適用性。

散粒噪聲極限的量子態(tài)層析新方法

合肥工業(yè)大學物理學院量子精密測量實驗室章如建、朱百強、錢鵬、陳冰等人提出一種基于時間分辨熒光的有效且穩(wěn)健的電子-核自旋量子態(tài)層析方法，這一方法可以將測量過程中的噪聲降低到散粒噪聲極限且是免校準的。相關成果發(fā)表于《應用物理快報》（Applied Physics Letters）。實驗結(jié)果表明，與光子計數(shù)方法相比，基于時間分辨熒光的量子態(tài)斷層掃描方法能夠?qū)⑿旁氡忍嵘?.1%到29.6%。這個方法能夠在一次測量中直接獲得4個基態(tài)的布居，極大地加快了量子態(tài)斷層掃描的過程。此外，通過歸一化操作，這個方法可以將熒光光子計數(shù)的噪聲降低到標準量子極限，無須校準，進一步簡化和加速了量子態(tài)斷層掃描過程。

分布式量子計算算法的演示（圖片來源于中國科學技術大學網(wǎng)站）

臨床醫(yī)學

“笑的訓練”對干眼的治療證實有效

中山大學中山眼科中心梁凌毅、劉奕志教授團隊和廈門大學眼科研究所劉祖國教授團隊開展一項非劣效隨機對照試驗，即“笑的訓練”對比0.1%玻璃酸鈉對干眼的影響。相關成果發(fā)表于《英國醫(yī)學雜志》（The BMJ）。研究團隊根據(jù)面部及眼部肌肉運動設計出“笑的訓練”口令：“hihihi（拼音拼讀），哈哈哈，茄子茄子茄子，七喜七喜七喜，哈哈哈哈哈哈。”30遍口令為1次訓練，一天進行4次訓練。在干預8周后，“笑的訓練”組和0.1%玻璃酸鈉組患者的癥狀及體征均有所改善，且在主要結(jié)局指標眼表疾病指數(shù)評分（一種衡量干眼主觀嚴重程度的指標）中，“笑的訓練”組不亞于0.1%玻璃酸鈉，甚至在一些體征改善更為優(yōu)越。

主動脈瘤的發(fā)病機制研究

哈爾濱醫(yī)科大學季勇教授、韓藝教授聯(lián)合南京醫(yī)科大學謝利平教授團隊在主動脈瘤/夾層的發(fā)病機制研究方面取得進展。相關成果發(fā)表于《臨床研究雜志》（The Journal of Clinical Investigation）。主動脈瘤是一類嚴重威脅人民生命健康的血管疾病，臨床上缺乏能夠有效抑制或延緩主動脈瘤進展的藥物。因此，闡明主動脈瘤形成的機制對于開發(fā)新的治療方案十分重要。研究團隊通過分析多個主動脈瘤數(shù)據(jù)庫，結(jié)合主動脈瘤臨床樣本和動物模型，發(fā)現(xiàn)主動脈瘤的平滑肌細胞中溶質(zhì)載體家族44A2的表達水平明顯升高，并且在動物和細胞水平證明其在主動脈瘤發(fā)病過程中發(fā)揮代償性保護作用。

秋水仙堿治療急性冠狀動脈綜合征研究

華中科技大學同濟醫(yī)學院附屬協(xié)和醫(yī)院程翔教授團隊通過光學相干斷層掃描評估秋水仙堿對急性冠狀動脈綜合征患者冠狀動脈斑塊穩(wěn)定性的影響。相關成果發(fā)表于《循環(huán)》（Circulation）。秋水仙堿是一種生物堿，最初從百合科植物秋水仙中提取出來。早在20世紀，秋水仙堿就被陸續(xù)證明可用于痛風、家族性地中海熱和復發(fā)性心包炎的治療。近年來，秋水仙堿已被批準用于降低冠心病患者的心血管事件風險。然而，關于秋水仙堿對冠狀動脈斑塊穩(wěn)定性的研究有限。此項工作提示秋水仙堿作為一種抗炎藥物能穩(wěn)定急性冠狀動脈綜合征患者的冠狀動脈斑塊，可能有助于改善患者的預后。

骨折損傷修復骨骼干細胞研究

中國科學院分子細胞科學卓越創(chuàng)新中心、海南醫(yī)科大學鄒衛(wèi)國團隊與中國科學院分子細胞科學卓越創(chuàng)新中心周波團隊合作，在骨折損傷修復機制研究方面取得進展。相關成果發(fā)表于《臨床研究雜志》（Journal of Clinical Investigation）。隨著我國社會經(jīng)濟的快速發(fā)展與人口老齡化的不斷加劇，骨折的發(fā)生率也日益攀升。臨床5％～10％的骨折患者無法正常愈合。骨膜來源的骨骼干細胞對骨折損傷修復起重要作用。研究鑒定了骨外膜干細胞膜蛋白標志物，為臨床上應用骨膜來源干細胞治療骨折愈合不良提供了前期研究基礎，模型小鼠的構建也為骨膜干細胞的相關研究提供了良好的動物模型。

“笑的訓練”對干眼癥狀的改善效果不亞于0.1%玻璃酸鈉（圖片來源于中山大學網(wǎng)站）

大氣科學

熱力學調(diào)制臺風邊界層非平衡過程及其影響雙眼墻形成機理

南京信息工程大學葛旭陽團隊針對云微物理過程中雨滴末端速度開展一系列敏感性試驗，探討了熱力學過程誘發(fā)邊界層非平衡過程及其影響雙眼墻形成的可能機理。相關成果發(fā)表于《大氣研究》（Atmospheric Research）。雙眼墻是臺風研究中的熱點和難點之一，盡管學術界提出了許多臺風雙眼墻形成的可能機制，但一直未達成共識。研究表明，熱帶氣旋外雨帶引發(fā)的強烈下沉氣流引起的絕熱增溫改變了溫度場和徑向壓力梯度場，可進一步調(diào)制熱力學過程誘發(fā)邊界層的不平衡。臺風眼區(qū)外側(cè)下沉氣流相關的熱力過程對局地超梯度風區(qū)的產(chǎn)生及臺風雙眼墻形成具有重要影響。這一發(fā)現(xiàn)為理解熱帶氣旋內(nèi)部結(jié)構和強度變化的機制提供新視角。

解耦鈉離子層狀氧化物空氣敏感性

中國科學院物理研究所胡勇勝研究團隊開展了鈉離子層狀氧化物空氣穩(wěn)定性研究。相關成果發(fā)表于《科學》（Science）。研究團隊開發(fā)了一種基于滴定氣相色譜技術的標準化空氣穩(wěn)定性測試方法，可用以定量評價不同劣化路徑的貢獻和比較不同材料的空氣穩(wěn)定性。通過對30余種氧化物材料進行空氣劣化后的鈉損失量進行定量分析，并受團隊前期工作啟發(fā)，研究發(fā)現(xiàn)酸性降解是主導整體劣化過程的關鍵因素；降低陽離子競爭系數(shù)和增加顆粒尺寸可以有效地提升材料抵抗酸性劣化的能力；選擇高電位的氧化還原對可以有效地增強材料的抗氧化劣化的能力。文章明確了影響材料空氣穩(wěn)定性的本征因素。

霧霾化學中界面過程對大氣氧化能力的貢獻

中國科學院生態(tài)環(huán)境研究中心賀泓院士團隊總結(jié)了國內(nèi)外大氣界面過程的最新研究進展，提出需要深入揭示界面過程對霾化學污染中大氣氧化性的增強作用，才能實現(xiàn)對大氣復合污染條件下二次污染形成過程的準確刻畫。相關成果發(fā)表于《環(huán)境科學與技術》（Environmental Science amp; Technology）。顆粒物界面過程對大氣氧化性的增強和二次顆粒物形成的促進作用及其正反饋機制，是“大氣霾化學”污染區(qū)別于以往典型污染事件的重要特征，也是“大氣霾化學”研究的核心內(nèi)容。傳統(tǒng)氣相氧化機制無法準確描述我國復合污染條件下二次污染的形成。大氣中高濃度的顆粒物為大氣污染的轉(zhuǎn)化提供了反應界面，可以極大降低反應能壘。

百公里級開放大氣的雙光梳光譜技術

中國科學技術大學薛向輝教授、張強教授、潘建偉院士等科研團隊，在國際上首次實現(xiàn)了百公里級的開放大氣雙光梳光譜測量。相關成果發(fā)表于《自然·光子學》（Nature Photonics）。大氣光譜學是研究大氣化學和物理性質(zhì)的關鍵技術。目前大氣光譜遙感使用的光柵光譜儀、外差光譜幅度計和傅里葉變換光譜儀等技術存在無法在夜間進行測量、無法同時測量多種組分等限制，而開放大氣雙光梳光譜技術不受湍流散斑和背景噪聲的影響，在原理上能夠在不校準的情況下測量更長的距離，被認為是用于大氣遙感的理想精密光譜工具。研究團隊成功測量得到113公里水平開放大氣中水汽和二氧化碳的強度譜和相位譜。

臺風雙眼墻形成期間相關研究示意圖（圖片來源于氣象災害教育部重點實驗室網(wǎng)站）

水科學

水體流動和冰水相變的耦合動力學

清華大學孫超、杜易鴻與國內(nèi)外合作者系統(tǒng)梳理了復雜流動條件下的典型冰水相變動力學。相關成果發(fā)表于《自然評論·物理學》（Nature Reviews Physics）。自然環(huán)境中的水體凝固和冰體融化過程通常伴隨著周圍水體的復雜流動，進而產(chǎn)生了豐富的多尺度冰水相變動力學行為。在淡水體系中，水的密度反常特性會導致水體的分層流動，使得體系的相變動力學和冰水界面形貌呈現(xiàn)復雜的非線性和非單調(diào)特征。在咸水體系中，溫鹽雙擴散對流決定了水體中熱量、質(zhì)量和動量的輸運，影響著冰層的融化速率及冰水界面形貌。研究成果對于理解全球水循環(huán)、碳循環(huán)、生物多樣性變化、地質(zhì)變化等地球物理過程具有重要意義。

底棲魚類在富營養(yǎng)水體中的雙重作用

中國科學院水生生物研究所呂超超、丑慶川、曹特等人揭示在水生態(tài)修復過程中，需要考慮沉水植物和魚類群落的綜合調(diào)控，以實現(xiàn)湖泊生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)管理。相關成果發(fā)表于《水研究》（Water Research）。了解沉水植物與底棲魚類之間的交互作用對于清水態(tài)的恢復與維持至關重要。因此，研究團隊在云南省大理市洱海高原湖泊生態(tài)系統(tǒng)試驗站的大型原位圍隔系統(tǒng)中開展相關工作。研究結(jié)果表明，沉水植物覆蓋度的增加可以顯著改善水質(zhì)，若無外源營養(yǎng)輸入和魚類的干擾，40%及以上覆蓋度的沉水植物可以維持淺水湖泊的清水穩(wěn)態(tài)，然而底棲魚類的存在會嚴重削弱沉水植物的清水效應。

早期地球是個“大水球”

北京大學唐銘課題組與國內(nèi)外合作者從深部地殼巖石相變的視角開展研究工作。相關成果發(fā)表于《科學進展》（Science Advances）。地球區(qū)別于太陽系其他巖石行星的一個重要特征是表面的海陸二分。海陸格局控制著地表的物質(zhì)循環(huán)，是形成動態(tài)、多樣的地表環(huán)境的關鍵因素，對支撐復雜生命系統(tǒng)至關重要。目前越來越多的證據(jù)顯示，在地球的早期（25億～30億年前），陸地面積非常有限，地球可能是個“大水球”。早期地球的固體表面可能很難形成超過3000～5000米的高程變化，這個值在今天是8000米以上。早期地球的地表也要比今天扁平，這便為大陸出露，形成海陸二分帶來了巨大的困難。早期地球的表面，不可避免是一片汪洋。

西南喀斯特區(qū)植被生長的降水敏感性閾值識別

中國科學院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所王克林研究員團隊在我國西南喀斯特地區(qū)植被生長對降水的敏感性差異研究上取得進展，明確了不同地質(zhì)背景下植被生長的降水敏感性閾值。相關成果發(fā)表于《水文學雜志》（Journal of Hydrology）。研究人員探討了西南八省中喀斯特地區(qū)與非喀斯特地區(qū)植被生長對降水的區(qū)域響應差異。研究發(fā)現(xiàn)，喀斯特地區(qū)的植被生長對降水量及其季節(jié)性變化更為敏感，而非喀斯特地區(qū)植被生長更多受到溫度的控制。研究結(jié)果強調(diào)了在制定氣候變化適應策略和森林管理措施時，須考慮地質(zhì)背景的重要性。特別是在喀斯特地區(qū)，在實現(xiàn)初步“變綠”基礎上，采取提升生態(tài)恢復持續(xù)性和穩(wěn)定性的適應性管理措施至關重要。

理解復雜流動和固液相變的耦合物理機制（圖片來源于清華大學）