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來(lái)源 | 澎湃新聞、學(xué)之策

來(lái)自中國(guó)的量子信息和生命科學(xué)科研成果于6月3日、6月4日接連登上國(guó)際頂尖學(xué)術(shù)期刊《自然》、《科學(xué)》雜志封面。

6月3日刊發(fā)的《自然》雜志封面為“Quantum connections”（量子連接），論文來(lái)自中國(guó)科大的郭光燦院士團(tuán)隊(duì)。該研究中，中國(guó)科學(xué)家首次實(shí)現(xiàn)多模式復(fù)用的量子中繼基本鏈路，展現(xiàn)了多模式復(fù)用的量子通信加速效果，并實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)固態(tài)存儲(chǔ)器的量子糾纏。該工作為高速率、大尺度量子網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)提供了全新的實(shí)現(xiàn)方案。

1天之后，6月4日刊發(fā)的《科學(xué)》雜志封面為“How transcription begins”（轉(zhuǎn)錄是如何開(kāi)始的），論文來(lái)自復(fù)旦大學(xué)徐彥輝研究員團(tuán)隊(duì)。該研究關(guān)注發(fā)生在基因啟動(dòng)子區(qū)的轉(zhuǎn)錄起始過(guò)程，這也是基因表達(dá)調(diào)控的核心，決定著細(xì)胞的命運(yùn)，影響眾多生理病理過(guò)程。徐彥輝團(tuán)隊(duì)的研究包含通用轉(zhuǎn)錄因子（TFIID）的轉(zhuǎn)錄前起始復(fù)合物結(jié)構(gòu)，揭示了啟動(dòng)子識(shí)別及PIC裝配的動(dòng)態(tài)過(guò)程，意義重大。

厲害了！中國(guó)學(xué)者論文連續(xù)2天登上Nature、Science封面

2天內(nèi)2大國(guó)際科學(xué)頂刊封面接連聚焦中國(guó)的研究成果，是中國(guó)科研實(shí)力上升的縮影。尤其值得關(guān)注的是，中國(guó)的青年科學(xué)家在中國(guó)科技創(chuàng)新體系中正在扮演日益重要的角色。

構(gòu)建量子網(wǎng)絡(luò)

《自然》的封面則報(bào)道了中國(guó)科學(xué)家郭光燦院士團(tuán)隊(duì)首次實(shí)現(xiàn)多模式復(fù)用的量子中繼基本鏈路，展現(xiàn)了多模式復(fù)用的量子通信加速效果，并實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)固態(tài)存儲(chǔ)器的量子糾纏。該工作為高速率、大尺度量子網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)提供了全新的實(shí)現(xiàn)方案。

遠(yuǎn)程量子糾纏傳輸是構(gòu)建大尺度量子通信網(wǎng)絡(luò)的一項(xiàng)基本任務(wù)。而光子作為量子通信信道中的最佳載體，容易被光纖吸收或散射而呈指數(shù)衰減。比如，通過(guò)光纖向距離1000公里外的地方每秒發(fā)射100億個(gè)光子，300年才能接收到1個(gè)光子。就是說(shuō)，光子通過(guò)光纖的直接傳輸距離被限制在數(shù)百公里。

為此，科學(xué)家提出量子中繼以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程量子糾纏傳輸。這是指，將遠(yuǎn)距離傳輸劃分為若干短距離基本鏈路，先在基本鏈路的兩個(gè)臨近節(jié)點(diǎn)間建立可預(yù)報(bào)的量子糾纏，然后通過(guò)糾纏交換技術(shù)進(jìn)行級(jí)聯(lián)，從而逐步擴(kuò)大量子糾纏的距離。

量子中繼的核心在于量子儲(chǔ)存器，即將光子儲(chǔ)存起來(lái)而不改變其量子態(tài)。等到相鄰存儲(chǔ)器糾纏成功后，再執(zhí)行下一步糾纏交換。

實(shí)際上，由于量子態(tài)的脆弱性，量子的存儲(chǔ)和讀取過(guò)程中不改變量子態(tài)十分困難。

到目前為止，已經(jīng)在冷原子氣體和單量子系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)量子中繼的基本鏈路，但均采用發(fā)射型量子存儲(chǔ)器。發(fā)射型存儲(chǔ)器的糾纏光子是由存儲(chǔ)器直接發(fā)射出來(lái)的，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔，但兼容性較差，難以同時(shí)滿足確定性量子光源及多模式復(fù)用這兩個(gè)量子中繼中關(guān)鍵的通信加速技術(shù)。確定性量子光源不存在多光子噪聲，其發(fā)射效率可以逼近100%。多模式復(fù)用與經(jīng)典光通信中的復(fù)用技術(shù)原理類似，即并行使用不同的時(shí)間或頻率模式的光子來(lái)加快通信的速率。

使用吸收性量子存儲(chǔ)器可以克服這些問(wèn)題。在基于吸收型量子存儲(chǔ)器的量子中繼架構(gòu)中，量子光源與量子存儲(chǔ)器相獨(dú)立，所以這種架構(gòu)可以同時(shí)兼容確定性量子光源以及多模式復(fù)用，是目前理論上傳輸速率最快的量子中繼方案。

一個(gè)基本鏈路由兩個(gè)分離的量子節(jié)點(diǎn)，以及中間站點(diǎn)貝爾態(tài)測(cè)量裝置組成。每個(gè)量子節(jié)點(diǎn)中除了“牛郎”、“織女”、量子存儲(chǔ)器之外，還各有一個(gè)糾纏光子對(duì)。

實(shí)驗(yàn)中，每個(gè)糾纏光子對(duì)中的一個(gè)光子被量子存儲(chǔ)器捕獲并存儲(chǔ)，每個(gè)糾纏光子對(duì)的另一個(gè)光子通過(guò)光纖同時(shí)傳輸至中間站點(diǎn)“鵲橋”進(jìn)行貝爾態(tài)測(cè)量，通過(guò)測(cè)量建立糾纏。

因此，“牛郎”和“織女”借助“鵲橋”可以在沒(méi)見(jiàn)面的情況下成功建立糾纏。論文共同第一作者劉肖及胡軍說(shuō)：“我們成功演示了4個(gè)時(shí)間模式的并行復(fù)用，獲得了4倍加速的糾纏分發(fā)速率，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，通過(guò)貝爾態(tài)測(cè)量預(yù)報(bào)兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的糾纏保真度超過(guò)80%。”

李傳鋒教授表示：“下一步，研究組將繼續(xù)提高量子存儲(chǔ)器的各項(xiàng)指標(biāo)，并采用確定性糾纏光源，從而大幅提高糾纏分發(fā)的速率，努力實(shí)現(xiàn)超越光纖直接傳輸?shù)膶?shí)用化量子中繼器?！?/span>

探索生命的奧秘

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在上世紀(jì)90年代，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)一個(gè)功能非常重要的轉(zhuǎn)錄共激活因子，命名為中介體（Mediator）。Mediator由26個(gè)蛋白所組成，分子量1.5兆道爾頓。由于人體中絕大多數(shù)活躍基因都需要Mediator才能夠?qū)崿F(xiàn)高表達(dá)。因此，對(duì)Mediator及PIC-Mediator復(fù)合物的研究是轉(zhuǎn)錄領(lǐng)域的核心。

6月4日刊的《科學(xué)》雜志聚焦了徐彥輝課題組的研究《人源中介體復(fù)合物及其結(jié)合轉(zhuǎn)錄前起始復(fù)合物的結(jié)構(gòu)研究》（Structures of the human Mediator and Mediator-bound preinitiation complex），報(bào)道了首個(gè)結(jié)構(gòu)與功能完整的PIC-Mediator復(fù)合物。

徐彥輝研究員為復(fù)旦大學(xué)博士生導(dǎo)師、復(fù)旦大學(xué)附屬腫瘤醫(yī)院兼職教授。徐彥輝的學(xué)士學(xué)位、博士學(xué)位均來(lái)自清華大學(xué)。他是饒子和院士、施一公院士的弟子。博士畢業(yè)后，他來(lái)到美國(guó)普林斯頓大學(xué)的施一公教授實(shí)驗(yàn)室，開(kāi)始了博士后的培養(yǎng)。

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徐彥輝研究員

對(duì)于這項(xiàng)最新的研究，復(fù)旦團(tuán)隊(duì)表示，結(jié)構(gòu)分析揭示了PIC-Mediator的動(dòng)態(tài)組裝過(guò)程以及Mediator調(diào)控Pol II CTD磷酸化的分子機(jī)制。該項(xiàng)工作與徐彥輝團(tuán)隊(duì)近期關(guān)于PIC的研究相呼應(yīng)，較為全面地回答了轉(zhuǎn)錄起始過(guò)程的若干重要科學(xué)問(wèn)題，是國(guó)內(nèi)分子生物學(xué)領(lǐng)域的又一重大突破性成果。

該項(xiàng)工作首先報(bào)道了人源Mediator復(fù)合物近原子分辨率的冷凍電鏡結(jié)構(gòu)，首次把26個(gè)Mediator亞基進(jìn)行完全定位和建模，為后續(xù)結(jié)構(gòu)功能研究奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。研究發(fā)現(xiàn)Mediator的Tail模塊可呈現(xiàn)延展構(gòu)象和彎折構(gòu)象，兩個(gè)構(gòu)象的Mediator被分別命名為MED-E和MED-B。其中，MED-E與以往報(bào)道的結(jié)構(gòu)相似，而MED-B構(gòu)象是首次發(fā)現(xiàn)，表明Mediator本身的動(dòng)態(tài)性。

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TFIID賦予了PIC-Mediator結(jié)構(gòu)和功能的完整性。在PIC-Mediator整體結(jié)構(gòu)中，Mediator和TFIID分別位于TFIIH的上下兩面，兩者共同結(jié)合并穩(wěn)定TFIIH，使TFIIH中CDK7激酶和XPB移位酶在PIC-Mediator中正確定位并發(fā)揮活性。其中XPB推動(dòng)啟動(dòng)子DNA進(jìn)入Pol II催化中心開(kāi)始轉(zhuǎn)錄，而CDK7磷酸化Pol II的CTD允許Pol II聚合酶離開(kāi)啟動(dòng)子區(qū)進(jìn)入轉(zhuǎn)錄延伸，二者的活性是轉(zhuǎn)錄起始所必須的。TFIID還賦予了PIC-Mediator組裝的高度動(dòng)態(tài)性。通過(guò)兩種代表結(jié)構(gòu)進(jìn)行比對(duì)，可看出PIC-Mediator各個(gè)部分都不同程度的發(fā)生了模塊重排，使其更好地適應(yīng)高度動(dòng)態(tài)的轉(zhuǎn)錄起始過(guò)程。上述發(fā)現(xiàn)在基于TBP的PIC-Mediator系統(tǒng)中并未被報(bào)道，說(shuō)明TFIID在轉(zhuǎn)錄起始超級(jí)復(fù)合物PIC-Mediator的組裝和發(fā)揮功能中的關(guān)鍵作用。

該項(xiàng)工作提供了具有生理相關(guān)性和功能完整性的PIC-Mediator復(fù)合物結(jié)構(gòu)，揭示了完整PIC-Mediator復(fù)合物的動(dòng)態(tài)組裝過(guò)程，提出了Mediator調(diào)控Pol II CTD磷酸化可能的分子機(jī)制。結(jié)構(gòu)及其所提示的功能關(guān)聯(lián)性對(duì)后續(xù)轉(zhuǎn)錄機(jī)制研究具有重要的指導(dǎo)意義，將分子生物學(xué)領(lǐng)域相關(guān)研究推到了一個(gè)新的高度。

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