中国科学家实现模式匹配量子密钥分发

中国科学家实现模式匹配量子密钥分发中国科学技术大学潘建伟、陈腾云等与清华大学马雄峰合作，首次在实验上实现了模式匹配量子密钥分发。据中国央视新闻2月5日报道，相关研究成果日前发表在国际学术期刊《物理评论快报》上。量子密钥分发基于量子力学基本原理，可以实现理论上无条件安全的保密通讯。模式匹配量子密钥分发协议(MP-QKD)是由清华大学马雄峰研究组于2022年提出的一种新型测量设备无关量子密钥分发协议，相较于原始的测量设备无关协议，可以将更多的探测事件用于成码，可以很大程度提高成码率；相较于双场量子密钥分发协议和相位匹配协议，无需复杂的激光器锁频锁相技术，节省成本且降低了实际应用难度，同时对环境噪声有更好的抗干扰能力。研究表明，模式匹配量子密钥分发在不需激光器锁频锁相的条件下可以实现远距离安全成码且在城域距离有较高成码率，极大地降低了协议实现难度，对未来量子通信网络构建具有重要意义。

科学家开发出突破性微型光纤激光器 更锐利、更小巧、更智能

科学家开发出突破性微型光纤激光器更锐利、更小巧、更智能基于氮化硅光子集成电路的全封装混合集成铒激光器的光学图像，可提供光纤激光器相干性和以前无法实现的频率可调谐性。资料来源：AndreaBancora和YangLiu（洛桑联邦理工学院）光纤激光器使用掺杂稀土元素（铒、镱、钕等）的光纤作为光增益源（产生激光的部分）。光纤激光器能发出高质量的光束，输出功率高，效率高，维护成本低，经久耐用，而且体积通常比气体激光器小。光纤激光器也是低相位噪声的"黄金标准"，这意味着它们的光束可以长期保持稳定。尽管如此，人们对芯片级光纤激光器微型化的需求仍在不断增长。基于铒的光纤激光器尤其令人感兴趣，因为它们符合保持激光器高相干性和稳定性的所有要求。但是，要实现光纤激光器的微型化，就必须在小尺度上保持其性能。现在，EPFL的刘洋博士和TobiasKippenberg教授领导的科学家们制造出了首台芯片集成的掺铒波导激光器，其性能接近光纤激光器，将宽波长可调谐性与芯片级光子集成的实用性相结合。这一突破发表在《自然-光子学》（NaturePhotonics）上。制造芯片级激光器研究人员采用最先进的制造工艺开发出了芯片级铒激光器。他们首先在超低损耗氮化硅光子集成电路的基础上构建了一个一米长的片上光腔（一组提供光反馈的反射镜）。刘博士说："尽管芯片尺寸小巧，但我们却能将激光腔设计成米级长度，这要归功于这些微oring谐振器的集成，它们能在不增大设备物理尺寸的情况下有效延长光路。"然后，研究小组在电路中植入高浓度铒离子，选择性地产生激光所需的有源增益介质。最后，他们将电路与III-V族半导体泵浦激光器集成，以激发铒离子，使其发光并产生激光束。基于掺铒光子集成电路的混合集成激光器的光学图像，该激光器具有光纤激光相干性和以前无法实现的频率可调谐性。资料来源：YangLiu（洛桑联邦理工学院）为了完善激光器的性能并实现精确的波长控制，研究人员设计了一种创新的腔内设计，其特点是基于微孔的Vernier过滤器，这是一种可以选择特定光频的光学过滤器。滤波器可在很大范围内对激光波长进行动态调整，从而使其在各种应用中都能发挥作用。这种设计支持稳定的单模激光，其内在线宽仅为50Hz，非常窄，令人印象深刻。它还具有显著的边模抑制功能--激光器能够以单一、稳定的频率发光，同时将其他频率（"边模"）的强度降至最低。这确保了高精度应用在整个光谱范围内的"干净"和稳定输出。这种芯片级铒光纤激光器的输出功率超过10mW，边模抑制比超过70dB，性能优于许多传统系统。它还具有非常窄的线宽，这意味着它发出的光非常纯净和稳定，这对于传感、陀螺仪、激光雷达和光学频率计量等相干应用非常重要。基于微光的Vernier滤波器使激光器在C波段和L波段（用于电信的波长范围）内具有40nm的宽波长可调谐性，在调谐和低光谱尖刺指标（"尖刺"是不需要的频率）方面都超越了传统光纤激光器，同时与当前的半导体制造工艺保持兼容。将铒光纤激光器微型化并集成到芯片级设备中可降低其总体成本，使其可用于电信、医疗诊断和消费电子等领域的便携式高度集成系统。它还可以缩小光学技术在其他各种应用中的规模，如激光雷达、微波光子学、光频合成和自由空间通信。"这种新型掺铒集成激光器的应用领域几乎是无限的，"Liu说。编译来源：ScitechDaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1434644.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1434644.htm

我科学家实现误差容忍高安全量子密钥分发

我科学家实现误差容忍高安全量子密钥分发日前，中国科学技术大学郭光灿院士领导的中国科学院量子信息重点实验室，在高安全量子密钥分发的实用化研究方面，取得重要进展。该实验室的韩正甫教授及其合作者银振强、王双、陈巍等提出了兼具高稳定性和高安全性的误差容忍测量设备无关量子密钥分发协议，并从安全性分析和实验验证两方面证实了该协议对源端非理想特性具有极强的容忍能力，有力地推动了新一代量子密钥分发技术的实用化进程。相关研究成果于8月3日在线发表在国际学术知名期刊《光学》上。信息安全是当今时代的重要主题，量子密钥分发技术以量子物理原理为基础，可实现理论上无条件安全的密钥分发。然而，这种理论安全性需要两个重要的假设，即用户拥有符合理论模型描述的理想设备，以及窃听者不能侵入系统的探测端和源端。测量设备无关量子密钥分发可以免疫所有针对探测端的潜在攻击行为，是新一代量子密钥分发技术的典型协议。然而，其依然保留了对源端的诸多安全性假设，例如量子态调制中的误差和噪声就会违背这些安全性假设，不仅会显著降低量子密钥分发系统的性能，还会为潜在窃听者创造可乘之机。在复杂的实际环境中，用户不得不耗费大量的资源以监控和校准源端，不仅会降低协议执行的效率，也可能带来潜在的安全问题。为推进新一代量子密钥分发技术的实际应用，韩正甫团队通过将源端常见的非理想特性纳入安全性证明框架中，提出了兼具高稳定性和高安全性的测量设备无关协议——误差容忍测量设备无关协议。该协议在免除了对探测端所有安全假设的同时，还免除了源端的“单光子态不可区分假设”和“纯态假设”。由于免除了这两条假设，测量设备无关协议对量子态调制中的信号畸变和噪声具有极强的容忍能力。经过严格的安全性分析，该团队证明了这些源端设备的非理想特性不会破坏测量设备无关协议的安全性，也不会降低系统的安全密钥生成速率，因此误差容忍协议兼具高安全和高稳定两大特性。韩正甫团队还进一步搭建测量设备无关系统，对提出的误差容忍协议进行实验验证。团队首先通过自主设计的Sagnac-AMZI编码器和四强度诱骗态调制装置实现了原始测量设备无关协议，并通过该系统观察测量调制信号具有不同误差时原始协议性能的变化。随后，团队使用同一系统执行误差容忍测量设备无关量子密钥分发协议，在不对选基信号进行预先校准的情况下实现了几乎恒定速率的安全密钥分发。通过前后性能对比，证明了误差容忍测量设备无关协议的高稳定特性，以及对于实际应用的重要价值。由于实际量子密钥系统往往需要工作在复杂快变的环境中，很难实现源端的精确实时校准，韩正甫团队的这项成果极大地推进了测量设备无关量子密钥分发技术的实用化进程，也为量子密钥分发技术真正走向无条件安全奠定了理论和实验基础。PC版：https://www.cnbeta.com/articles/soft/1306657.htm手机版：https://m.cnbeta.com/view/1306657.htm

科学家以前所未有的速度发现30种新的天然化合物

科学家以前所未有的速度发现30种新的天然化合物然而，据伊利诺伊大学约翰和玛格丽特-维特化学教授道格-米切尔（MMG）称，与这些生物体通过利用它们所拥有的遗传途径能够生产的化合物数量相比，这一点微不足道。"这只是冰山一角，"米切尔说。"在我们今天所知道的已知分子与自然界有能力生产的分子之间存在着差距。至少是100比1。"核糖体产生和翻译后修饰的肽，或简称"RiPPs"是一种天然产品，已成为抗生素的一个流行来源。获取RiPPs的传统方法很费力，包括将每个基因插入模型生物体，如大肠杆菌，一次一个观察它产生什么化合物。然而，在最近的一项研究中，研究人员利用伊利诺伊州先进生物制造生物中心，能够以前所未有的速度和规模找到并描述新的RiPPs，这是卡尔-R-沃斯基因组生物学研究所的一项重要联合工作的成果。iBioFAB是一个实验室自动化系统，可以一次从数百个基因中分析和创建许多合成基因途径，这项任务通常需要众多研究人员和更多时间来完成。这项研究是米切尔的实验室、赵惠民（BSD/GSE负责人/CABBI/CGD/MMG）的实验室、StevenL.Miller化学和生物分子工程主席、WilfredvanderDonk（MMG）的实验室、RichardE.Heckert化学捐赠主席和HowardHughes医学研究所研究员之间的合作。在伊利诺伊大学厄巴纳·香槟分校大规模合作的一篇新论文中，研究人员能够以前所未有的速度和规模，利用伊利诺伊大学先进生物制造的生物基金会，发现并描述新的核糖体合成和翻译后修饰的肽（RiPPs）。资料来源：伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校卡尔-R-沃斯基因组生物学研究所三位共同第一作者，Mitchell实验室四年级博士生AlexBattiste、Zhao实验室五年级博士生ChengyouShi和vanderDonk实验室博士后RichardAyikpoe描述了他们如何在各自的实验室领导该项目的一部分。Shi的团队准备了合成基因，然后使用iBioFAB与一个名为RODEO的基因组挖掘程序集成，将它们组装成候选路径，或基因集群。然后，不同类别的基因簇被交给Battiste和Ayikpoe的团队，以测试哪些途径具有功能性并可能在大肠杆菌中产生新的RiPPs。任何显示出抗生素活性的RiPPs结构都由Ayikpoe的团队进行了详细描述。高通量技术允许一次性测试由大约400个基因组成的96条途径，产生了30种新化合物。"与传统的RiPP发现方法相比，我们的平台在许多方面都具有可扩展性和高通量性，从生物合成基因簇的识别、克隆、生产，以及检测和表征，"Shi说。"我想说，这是第一个用于大规模发现RiPP的平台。"在发现的新化合物中，有三个被发现具有抗菌特性。当对肺炎克雷伯氏菌（Klebsiellapneumoniae）进行测试时，发现新发现的抗菌性RiPPs能够有效地杀死这种危险的细菌。研究人员说，这可能是发现对目前抗生素药物有抗药性的细菌有效的化合物的一个新途径。"我们发现三种RiPPs对已知涉及医院获得性感染的病原体具有抗菌性，包括克雷伯氏菌，"Ayikpoe说。"这项研究表明，通过使用这个平台扩大我们可以一次性筛选的生物合成基因簇的数量，我们更有可能发现可能具有治疗作用的抗微生物化合物。"这篇论文的目标有两个：展示高通量技术快速构建和测试新的RiPPs的基因簇的能力，同时也强调在IGB内实现的那种大规模合作项目。了解更多：https://www.nature.com/articles/s41467-022-33890-w...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1333095.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1333095.htm

SQC宣布推出世界首个原子级量子集成电路

SQC宣布推出世界首个原子级量子集成电路当地时间6月23日，澳大利亚硅量子计算公司SQC宣布制造出世界上第一个原子级量子集成电路。目前，SQC团队已经使用原子级量子集成电路，精确地模拟了一个小型有机聚乙炔分子的量子态，这将有助于发现和制造新材料。聚乙炔是一种聚合物材料，其结构包括单双键交替的共轭结构，目前可用于制备太阳能电池、半导体材料和电活性聚合物等。相关成果论文6月22日发表在《自然》(Nature)。——澎湃新闻

生物芭蕾：科学家以前所未有的清晰度揭示分子"相干性"之舞

生物芭蕾：科学家以前所未有的清晰度揭示分子"相干性"之舞结合两种技术，研究人员揭示了"相干性"在分子反应中的关键作用，为分子动力学的先进控制铺平了道路。探测过程示意图。资料来源：SamuelPerrett由帝国理工大学生命科学系的贾斯珀-范-托尔（JaspervanThor）教授领导的大型国际研究小组最近在《自然-化学》（NatureChemistry）杂志上报告了他们的研究成果。晶体学是结构生物学中一项强大的技术，它可以拍摄分子排列方式的"快照"。经过数次大规模实验和多年的理论研究，新研究背后的团队将这项技术与另一项绘制分子电子和核构型振动图的技术（即光谱学）相结合。研究小组在世界各地的强大X射线激光设备上演示了这项新技术，结果表明，当他们研究的蛋白质中的分子受到光学激发时，它们的最初运动是"相干"的结果。这表明这是一种振动效应，而不是随后生物反应功能部分的运动。首次在实验中显示的这一重要区别，凸显了光谱物理学如何为结构生物学的经典晶体学方法带来新的启示。范托尔教授说："维持生命的每一个过程都是由蛋白质完成的，但要了解这些复杂分子是如何完成它们的工作，就必须了解它们原子的排列，以及这种结构在反应过程中是如何变化的。利用光谱学的方法，我们现在可以通过解决其晶体结构，直接以图像的形式看到属于所谓相干过程的超快分子运动。我们现在拥有了以接近原子分辨率的极快时间尺度理解甚至控制分子动力学的工具。我们希望通过分享这一新技术的方法细节，能够鼓励时间分辨结构生物学以及超快激光光谱学领域的研究人员探索相干过程的晶体结构"。技术结合将这些技术结合起来需要使用X射线自由电子激光器（XFEL）设施，包括美国的Linac相干光源（LCLS）、日本的SPring-8Angstrom紧凑型自由电子激光器（SACLA）、韩国的PAL-XFEL以及最近在汉堡的欧洲XFEL。自2009年以来，该团队成员一直在XFEL工作，利用并了解飞秒（十亿分之一秒）时间尺度上反应蛋白质的运动，这被称为飞秒化学。在激光脉冲激发后，利用X射线对结构进行"快照"。2016年，这项技术取得了初步成功，详细描绘了光诱导生物蛋白质发生的变化。然而，研究人员仍需解决一个关键问题：在第一个激光光脉冲之后，飞秒时间尺度上的微小分子"运动"直接源自何处？以前的研究假设所有的运动都与生物反应相对应，即其功能运动。但使用新方法后，研究小组在实验中发现情况并非如此。相干控制为了得出这一结论，他们创造了"相干控制"--塑造激光，以可预测的方式控制蛋白质的运动。2018年在斯坦福的LCLS取得初步成功后，为了检查和验证这种方法，他们在世界各地的XFEL设施共进行了六次实验，每次都组建了大型团队，并形成了国际合作关系。然后，他们将这些实验数据与从飞沫化学修改而来的理论方法相结合，以便将其应用于X射线晶体学数据而非光谱数据。结论是，在皮米尺度和飞秒时间尺度上精确测量到的超快运动并不属于生物反应，而是属于剩余基态的振动一致性。这意味着飞秒激光脉冲过后"遗留"的分子会主导随后测量到的运动，但仅限于所谓的振动相干时间内。范索尔教授说："我们的结论是，在我们的实验中，即使不包括相干控制，传统的时间分辨测量实际上也是由来自黑暗"反应物"基态的运动所主导，而这些运动与光引发的生物反应无关。相反，这些运动与传统的振动光谱法所测量的运动相对应，具有非常不同但同样重要的意义这实际上是根据以前的理论工作预测出来的，但现在却在实验中得到了证实。这将对时间分辨结构生物学以及超快光谱学领域产生重大影响，因为我们已经开发并提供了分析超快飞秒时间尺度运动的工具。"...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1384887.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1384887.htm