新研发的超导纳米线光子检测器可实现高速量子通信

新研发的超导纳米线光子检测器可实现高速量子通信在Optica出版集团的高影响力研究杂志《Optica》上，由美国宇航局喷气推进实验室的MatthewD.Shaw领导的研究人员描述并展示了他们用于测量光子到达时间的新探测器，他们称之为PEACOQ（用于计算光量子的性能增强阵列）探测器。"我们的新探测器是由硅芯片上的32个氮化铌超导纳米线组成的，它可以实现高精度的高计数率，"研究小组成员、博士后学者IoanaCraiciu说。"该探测器的设计考虑到了量子通信，因为这是一个一直受限于现有探测器性能的技术领域。"研究小组负责人MatthewShaw检查了安装在低温箱内的PEACOQ探测器，以便进行测试该探测器是作为美国宇航局项目的一部分而开发的，该项目旨在实现空间到地面的量子通信新技术，从而在未来实现跨洲际距离的量子信息共享。这项工作建立在为美国宇航局深空光通信项目开发的技术基础上，该项目将首次展示来自行星际空间的自由空间光通信。Craiciu说："目前还没有另一个探测器能够以同样的时间分辨率如此快速地计算单光子。我们知道这个探测器将对量子通信有用，但我们也希望它能实现我们尚未考虑的其他应用。"更快的量子通信加快量子通信传输速率需要在接收端有一个探测器，它可以进行快速测量，并表现出较短的死机时间，这样它就可以与到达的高速率光子抗衡。探测器还必须精确测量光子的到达时间。Craiciu说："尽管有一些探测器可以高精度地测量光子的到达时间，但当光子快速连续到达时，它们很难跟上，可能会错过一些光子，或者把它们的到达时间弄错，我们设计的PEACOQ探测器可以精确测量单个光子的到达时间，即使它们正以很高的速度撞击探测器。它也是高效的，它不会错过许多光子。"PEACOQ探测器是由厚度仅为7.5纳米的纳米线制成的，或比人的头发薄约1万倍。在非常冷的温度下操作它--大约1开尔文，或-458°F--使纳米线变得超导，这意味着它们没有电阻。在超导条件下，任何击中一根导线的光子都有很大机会被该导线吸收。任何被吸收的光子都会产生一个热点，以一种可检测的方式增加电线的电阻。一台计算机和一个时数转换器被用来记录电阻变化的时间，从而记录一个光子到达探测器的时间。当探测器测量一个光子时，它输出一个电脉冲，而时间-数字转换器非常精确地测量这个电脉冲的到达时间，其分辨率低于100皮秒，或比弹指一挥间快7000万倍。新开发的一种新的时间-数字转换器可以用这种时间分辨率同时测量多达128个通道，这很重要，因为探测器需要32个通道。为了展示新的探测器，研究人员通过将其安装在一个低温箱中将其冷却到1开尔文。他们使用了一个定制的测试装置，将光送入低温箱到检测器，并使用一连串的电子装置将检测器的输出信号从低温箱中传输出来，将其放大并记录。由于有32根纳米线，研究人员不得不使用32套每个组件，包括32根电缆和32个每种类型的放大器。前所未有的计数能力"我们对检测器的工作情况非常满意，"Craiciu说。"它能够测量光子的速率是我们所见过的最高的。它需要一个复杂的设置，因为32个纳米线中的每一个都要单独读出，但对于你真正需要以高速度和高精度测量光子的应用来说，它是值得麻烦的。"通常情况下，正在传输的量子信息被设置为一个时钟，每条信息被编码为一个光子，并在一个刻度上发送。能多精确地测量光子到达接收器的时间，决定了抵达距离能有多近而不出错，因此它决定了能多快地发送信息。新的检测器使得以最先进的10GHz的时钟频率进行量子通信变得切实可行。研究人员仍在努力对PEACOQ探测器进行改进，目前该探测器的效率约为80%--这意味着有20%的光子撞上探测器后没有被测量。他们还计划建造一个可用于量子通信实验的便携式接收器装置。它将包含几个PEACOQ探测器以及光学器件、读出电子器件和一个低温恒温器。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1341119.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1341119.htm

研究人员设计“纳米陷阱” 提供有关蛋白质团块的新见解

研究人员设计“纳米陷阱”提供有关蛋白质团块的新见解图片显示的是蛋白质捕获器，它由纳米级腔室和聚合物组成，在上方形成门。这些"门"通过将温度升高约10度来打开。然后，聚合物会改变形状，变成更紧凑的状态，这样蛋白质就可以进出了。资料来源：查尔默斯理工大学朱莉娅-耶尔勒巴克领导该研究项目的查尔姆斯大学教授安德烈亚斯-达林（AndreasDahlin）说："我们相信，我们的方法具有巨大的潜力，可以加深人们对许多不同疾病的早期和危险过程的了解，并最终帮助人们了解如何用药物来对抗这些疾病。"在人体内形成团块的蛋白质会导致多种疾病，包括渐冻人症、老年痴呆症和帕金森症。如果能更好地了解凝块是如何形成的，就能找到有效的方法在早期将其溶解，甚至完全防止其形成。AndreasDahlin，查尔姆斯理工大学化学与化学工程系教授。图片来源：查尔默斯理工大学MikaelTerfors如今，有各种技术可以研究过程的后期阶段，即团块变大并形成长链的阶段，但直到现在，还很难跟踪早期的发展，因为那时它们还非常小。现在，这些新的捕集器可以帮助解决这个问题。可长时间进行高浓度研究研究人员将他们的工作描述为世界上最小的闸门，只需按下按钮就能打开和关闭。这些门成为陷阱，将蛋白质锁在纳米级的腔室中。蛋白质无法逃脱，从而将在这一水平上观察蛋白质的时间从一毫秒延长到至少一小时。这种新方法还可以在很小的体积内封闭几百个蛋白质，这对进一步了解情况非常重要。"我们希望看到并更好地理解的团块由数百个蛋白质组成，因此如果我们要研究它们，就必须能够捕获如此大量的蛋白质。"AndreasDahlin说："小体积内的高浓度意味着蛋白质会自然地相互碰撞，这是我们新方法的一大优势。"为了将这种技术用于研究特定疾病的病程，还需要继续开发这种方法。"捕获器需要进行调整，以吸引与你感兴趣的特定疾病相关的蛋白质。"AndreasDahlin说："我们现在的工作是规划哪些蛋白质最适合研究。"新陷阱的工作原理研究人员开发的捕集器由所谓的聚合物刷组成，位于纳米级腔室的口部。要研究的蛋白质包含在液体溶液中，经过特殊化学处理后被吸引到腔室壁上。当闸门关闭时，蛋白质就会脱离腔壁，开始相互移动。在捕集器中，您可以研究单个的蛋白质团块，这比同时研究许多蛋白质团块能提供更多信息。例如，团块可能由不同的机制形成，具有不同的大小和结构。只有逐个分析才能观察到这些差异。实际上，蛋白质可以在捕集器中保留几乎任意长的时间，但目前，时间受到化学标记保留时间的限制。在这项研究中，研究人员成功地将可见性保持了一个小时。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1398913.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1398913.htm

普林斯顿大学化学家成功利用定制蛋白质在室温下创造量子点

普林斯顿大学化学家成功利用定制蛋白质在室温下创造量子点普林斯顿大学的MichaelHecht教授和他的研究小组在化学领域取得了一项重大发现，他们创造了第一个已知的能催化量子点合成的从头蛋白质。量子点是具有荧光特性的纳米晶体，被用于一系列的电子应用，包括LED屏幕和太阳能电池板。这种创造量子点的新方法有可能比目前的方法更具有可持续性和环保性，因为它表明可以使用并非来自自然界的蛋白质序列来合成功能性材料。在电子显微镜下拍摄的量子点的图像。这些量子点是在赫克特实验室使用新蛋白质生产的。每个量子点的直径为2纳米，这是一个重要的因素，因为粒子的大小决定了它们发光的颜色，或者说荧光。资料来源：赫克特和斯科尔斯实验室提供这就是化学教授MichaelHecht和他的研究小组工作的领域，最近，他们对设计自己的序列的好奇心得到了回报。他们发现了第一个已知的催化或驱动量子点合成的denovo（新创建）蛋白质，量子点是用于从LED屏幕到太阳能电池板等电子应用的荧光纳米晶体。他们的工作打开了以更可持续的方式制造纳米材料的大门，证明了并非来自自然界的蛋白质序列可以用来合成功能性材料，这对环境有明显的好处。量子点通常是在工业环境中用高温和有毒、昂贵的溶剂制造的--这种过程既不经济也不环保。但是Hecht和他的研究小组在实验室里用水作为溶剂完成了这一过程，在室温下制造出了稳定的最终产品。Hecht说："我们对制造生命分子、蛋白质感兴趣，它们并不是在生命中产生的，"他与威廉-S-托德化学教授和系主任格雷格-斯科尔斯一起领导了这项研究。"在某些方面，我们在问，是否存在我们所知的生命的替代品？地球上的所有生命都来自共同的祖先。但是，如果我们制造出并非来自共同祖先的栩栩如生的分子，它们能做很酷的事情吗？所以在这里，我们正在制造从未在生命中出现过的新型蛋白质，做生命中不存在的事情。"该团队的工艺还可以调整纳米粒子的大小，这决定了量子点的颜色，或荧光。这为在生物系统中标记分子提供了可能性，例如对体内的癌细胞进行染色。迈克尔-赫克特教授和第五年的研究生以及量子点研究的合作者姚跃宇在弗里克实验室图片来源：杰西-康登的照片"量子点因其尺寸而具有非常有趣的光学特性，"该论文的共同作者、赫克特实验室五年级研究生姚跃宇说。"它们非常善于吸收光线并将其转化为化学能--这使得它们在被制成太阳能电池板或任何种类的光传感器方面非常有用。但另一方面，它们也非常善于以某种所需的波长发光，这使它们适合于制作LED屏幕。"而且，由于它们很小--仅由大约100个原子组成，宽度可能为2纳米--它们能够穿透一些生物屏障，使它们在药品和生物成像方面的用途特别有希望。"我认为使用新蛋白质为可设计性开辟了一条道路，"这项研究的主要作者、斯科尔斯实验室的前博士后LeahSpangler说。"对我来说，一个关键词是'工程'。我希望能够设计蛋白质来做一些特定的事情，而这是一种你可以做到的蛋白质类型。她补充说："我们正在制造的量子点质量还不是很好，但这可以通过调整合成方法来改善。我们可以通过设计蛋白质以不同的方式影响量子点的形成来实现更好的质量。"LeahSpangler，论文的主要作者，去年在弗里克实验室基于通讯作者SaranganChari（Hecht实验室的高级化学家）所做的工作，该团队使用其设计的名为ConK的新蛋白质来催化该反应。研究人员于2016年首次从一个大型蛋白质组合库中分离出了ConK。它仍然由天然氨基酸组成，但它符合"从头开始"的条件，因为它的序列与天然蛋白质没有任何相似性。研究人员发现，ConK使大肠杆菌在其他有毒浓度的铜中生存，这表明它可能对金属结合和封存有用。这项研究中使用的量子点是由硫化镉制成的。镉是一种金属，所以研究人员想知道ConK是否可以用来合成量子点。他们的预感得到了回报，ConK将20种氨基酸之一的半胱氨酸分解成几种产物，包括硫化氢。这将作为活性硫源，然后与金属镉反应，其结果是硫化镉量子点。为了制造这种量子点，需要将镉源和硫源在溶液中反应。蛋白质所做的是随着时间的推移缓慢地制造硫源。因此，最初添加镉，但蛋白质会产生硫，然后发生反应，形成不同大小的量子点。这项研究得到了美国国家科学基金会MRSEC项目（DMR-2011750）、普林斯顿大学写作中心和加拿大高级研究所的支持。该研究还得到了美国国家科学基金会资助的MCB-1947720对MH的支持。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1338419.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1338419.htm

NIST的40万像素超导相机研发工作取得突破性进展

NIST的40万像素超导相机研发工作取得突破性进展经过计划中的改进，NIST的新型400000像素单线超导相机（同类相机中分辨率最高的相机）将有能力在极低光照条件下捕捉天文图像。图片来源：图片元素来自Pixabay和S.Kelley/NIST。超导照相机可以让科学家捕捉到非常微弱的光信号，无论是来自太空中遥远物体的信号，还是来自人类大脑部分区域的信号。拥有更多的像素可以为科学和生物医学研究开辟许多新的应用领域。NIST相机是由冷却到接近绝对零度的超细电线网格组成的，在电线被光子击中之前，电流在其中移动没有任何阻力。在这些超导纳米线照相机中，即使是一个光子传递的能量也能被检测到，因为它会关闭网格上特定位置（像素）的超导性。将所有光子的位置和强度组合起来，就形成了一幅图像。这个动画描述了特殊的读取系统，它使NIST研究人员能够制造出一台40万超导纳米线单光子照相机，这是同类照相机中分辨率最高的。经过进一步改进后，该相机将非常适合低照度工作，如成像太阳系外的微弱星系或行星、测量基于光子的量子计算机中的光，以及利用近红外线窥视人体组织的生物医学研究。资料来源：S.Kelley/NIST第一台能够探测单光子的超导相机是在二十多年前研制成功的。从那时起，这些设备所包含的像素都不超过几千个，对于大多数应用来说都过于有限。制造像素数量更多的超导照相机是一项严峻的挑战，因为要将数千个冷冻像素中的每个像素都连接到自己的读出线上几乎是不可能的。这一挑战源于相机的每个超导元件都必须冷却到超低温才能正常工作，而将数百万像素中的每个像素单独连接到冷却系统几乎是不可能的。NIST研究人员亚当-麦考恩（AdamMcCaughan）和巴赫罗姆-奥里波夫（BakhromOripov）以及他们在美国宇航局位于加利福尼亚州帕萨迪纳市的喷气推进实验室（JPL）和科罗拉多大学博尔德分校的合作者克服了这一障碍，将许多像素的信号合并到几根室温读出导线上。任何超导线缆都有一个普遍特性，即允许电流自由流动到一定的最大"临界"电流。为了利用这一特性，研究人员在传感器上施加了略低于最大值的电流。在这种情况下，哪怕只有一个光子击中一个像素，也会破坏超导性。电流不再能够无阻力地流过纳米线，而是被分流到与每个像素相连的小型电阻加热元件上。分流电流产生的电信号可被迅速检测到。借鉴现有技术，NIST团队建造的照相机拥有交叉的超导纳米线阵列，形成多行多列，就像井字游戏中的行列一样。每个像素以单根垂直和水平纳米线交叉点为中心的微小区域--由其所在的行和列唯一定义。这种安排使研究小组能够一次测量来自整行或整列像素的信号，而不是记录来自每个像素的数据，从而大大减少了读出线的数量。为此，研究人员将一根超导读出线与像素行平行但不接触，将另一根读出线与像素列平行但不接触。只考虑与行列平行的超导读出线。当一个光子击中一个像素时，分流到电阻加热元件的电流会加热读出线的一小部分，形成一个微小的热点。热点反过来又会产生两个电压脉冲，沿读出线以相反的方向移动，由两端的探测器记录下来。脉冲到达两端探测器的时间差揭示了像素所在的柱。与柱平行的第二条超导读出线也具有类似的功能。探测器可以分辨出短至50万亿分之一秒的信号到达时间差异。它们还能对每秒撞击网格的10万个光子进行计数。团队采用新的读取架构后，奥里波夫在增加像素数量方面取得了快速进展。几周内，像素数量就从20000个跃升至400000个。麦考恩说，这种读出技术可以很容易地扩展到更大的照相机，拥有数千万或数亿像素的超导单光子照相机很快就能问世。在接下来的一年里，该团队计划提高原型相机的灵敏度，使其能够捕捉到几乎每一个进入的光子。这将使该相机能够应对低照度工作，如成像太阳系外的微弱星系或行星、测量基于光子的量子计算机中的光，以及为利用近红外线窥视人体组织的生物医学研究做出贡献。研究人员在10月26日出版的《自然》杂志上报告了他们的研究成果。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1392539.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1392539.htm

揭开大脑疾病的秘密：当蛋白质陷入固态时

揭开大脑疾病的秘密：当蛋白质陷入固态时研究人员利用先进的光学技术研究了与神经退行性疾病相关的蛋白质聚集体的形成。通过分析一种与渐冻症有关的蛋白质，他们对蛋白质从液态到固态的转变有了前所未有的深入了解，从而揭示了阿尔茨海默氏症和渐冻症等疾病的真相。上图是显示蛋白质凝结相互作用的纳米扫描图像。资料来源：悉尼大学这种液态到固态的转变会引发所谓的淀粉样纤维的形成。淀粉样纤维可在神经元中进一步形成斑块，导致神经退行性疾病，如阿尔茨海默氏症。悉尼大学的生物医学工程师与剑桥大学和哈佛大学的科学家合作，现已开发出精密的光学技术，可近距离监测这些蛋白质聚集体的形成过程。通过测试一种与肌萎缩性脊髓侧索硬化症（ALS）有关的蛋白质，悉尼大学的工程师们密切监测了这种蛋白质从液相到固相的转变过程。三维共聚焦显微镜扫描培养24小时的FUS蛋白质凝结物，显示了这项研究揭示的特征性核壳结构。资料来源：悉尼大学这项研究发表在美国《国家科学院院刊》（PNAS）上，其主要作者沈怡博士说："这是从基础角度理解神经退行性疾病如何发展的巨大进步。"生物医学工程学院高级讲师、悉尼大学纳米研究所成员DanieleVigolo博士说："我们现在可以在纳米尺度（百万分之一米）上直接观察到这些关键蛋白质从液态向固态的转变。蛋白质在液-液相分离过程中经常会形成凝结物，这种凝结物广泛存在于关键和健康的生物功能中，例如人类胚胎的形成。这一过程有助于蛋白质浓度至关重要的生化反应，还能促进健康的蛋白质-蛋白质相互作用。"Vigolo和沈的研究团队。资料来源：悉尼大学沈博士是化学与生物分子工程学院（SchoolofChemicalandBiomolecularEngineering）的ARCDECRAFellow，同时也是悉尼纳米研究中心（SydneyNano）的成员。"这可能导致与神经退行性疾病相关的异常结构，因为蛋白质不再表现出快速还原成液态的能力。因此，监测凝结动态至关重要，因为它们会直接影响病理状态，"她说。世界上首次对这一过程进行的纳米级光学观测使研究小组得以确定，从液态到固态蛋白质的转变始于蛋白质凝聚物的界面。这个相变窗口还揭示了这些蛋白质团聚体的内部结构是异质的，而以前人们认为它们是均质的。Vigolo博士说："我们的发现有望从根本上大大提高我们对神经退行性疾病的认识。这意味着一个充满希望的新研究领域，可以让我们更好地了解阿尔茨海默病和渐冻症是如何在大脑中发展的，这些疾病影响着全球数百万人。"...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1379653.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1379653.htm

PicoRuler：基于蛋白质的分子标尺革新细胞成像技术

PicoRuler：基于蛋白质的分子标尺革新细胞成像技术PicoRuler：基于蛋白质的分子标尺可以在现实条件下测试最新超分辨率显微镜方法在亚10纳米范围内对生物分子的光学分辨率。图片来源：GertiBeliu，DALL-E3/维尔茨堡大学由德国巴伐利亚州维尔茨堡朱利叶斯-马克西米利安大学（JMU）鲁道夫-维尔乔中心（RudolfVirchowCentre-CenterforIntegrativeandTranslationalBioimaging）的GertiBeliu博士和MarkusSauer教授领导的科学家团队现在提供了一个转折点。他们在《先进材料》杂志上发表了新型生物兼容分子尺PicoRulers（基于蛋白质的成像校准光学尺）。研究小组利用基因代码扩展和点击化学，成功构建了这些定制的分子尺。它们可在荧光显微镜中用作精确的生物分子参考结构。PicoRulers基于由三部分组成的蛋白质PCNA（增殖细胞核抗原），它在DNA复制和修复中发挥着核心作用。通过在精确定位的位置上引入非天然氨基酸，这种蛋白质已被改性，使荧光染料或其他分子能够以最小的连接误差特异性地点击到它上面。这样，研究人员就能在精确定义的细胞生物分子上以前所未有的精度测试最新超分辨率显微镜方法的分辨率。MarkusSauer热情洋溢地表示："能够在亚10纳米水平上解析真实的生物结构，标志着生物成像技术进入了一个新时代。与以前使用的人造大分子相比，我们的PicoRuler不仅具有生物兼容性的特点。它们还能在现实条件下实现无与伦比的测试分辨率精度。""这项技术的应用范围远远超出了传统显微镜的界限。"GertiBeliu解释说："我们的PicoRulers不仅是更精确测量的工具，还为更深入、更详细地研究细胞内发生的复杂过程打开了大门。"从长远来看，PicoRulers的进一步发展可能会改变具有分子分辨率的生物和医学成像。PicoRuler首次实现了在生物样本上验证和提高新的超分辨率显微镜方法的分辨率潜力。这使它们成为未来阐明细胞中生物分子的分子组织和相互作用的宝贵工具。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1401693.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1401693.htm