祝贺！中国科大多项研究取得新进展_中国科大本科招生

中国科大完成基于颜色擦除强度干涉的

高空间分辨成像

9月3日，中国科大潘建伟、张强等与美国麻省理工学院Frank Wilczek合作，利用济南量子技术研究院研制的周期极化铌酸锂波导，搭建颜色擦除强度干涉仪，成功分辨出1.43km距离外相距4.2mm的两个不同波长（1063.6nm和1064.4 nm）光源，以超过单望远镜衍射极限40倍的结果验证了颜色擦除强度干涉技术（chromatic intensity Interferometry）具备高空间分辨成像能力，拓展了强度干涉技术的应用范围，有望被应用于天文观测、空间遥感和空间碎片探测等领域，相关成果发表在国际知名学术期刊《物理评论快报》上。

干涉仪被广泛用于各种高空间分辨成像技术中，以突破单镜片有限孔径下的分辨率极限（衍射极限）。上世纪50年代，英国科学家Robert Hanbury Brown和Richard Quintin Twiss共同发现了以他们名字命名的Hanbury Brown and Twiss效应（简称HBT效应），并提出了利用该效应的强度干涉技术。1956年，他们搭建强度干涉仪成功测出了天狼星的直径，成为了该技术一个经典的应用案例。不过这种传统的强度干涉方案要求进入探测器的光子全部具有相同的波长，限制了其应用范围。2016年，美国物理学家，诺贝尔奖获得者Frank Wilczek和其同事在理论上提出，将基于频率转换原理的颜色擦除探测器引入强度干涉仪，可以使得进入探测器的不同波长光子也发生干涉并提取出相位信息。他们将这种新技术命名为颜色擦除强度干涉技术（chromatic intensity Interferometry）。随后，潘建伟小组利用济南量子院自主研制的周期极化铌酸锂波导首次搭建了颜色擦除单光子探测，并基于此在实验室内原理演示了强度干涉技术（Phys. Rev. Lett. 123, 243601 (2019)，Opt. Express 28, 32294 (2000)）。

图1实验系统示意图

为了验证该技术具备高空间分辨成像能力，该小组在上海开展了外场实验。如图1所示，他们利用两种不同波长的泵浦光分别泵浦并联的两个PPLN波导，实现了无法分辨1063.6nm和1064.4 nm光子差异的颜色擦除探测器，并用两个这样的探测器搭建了80cm基线长度的强度干涉仪对1.43km外的相距4.2mm的两个不同波长光源目标进行测量。获得实验数据后，他们在理论上提出了一种相位拟合的算法得到了两个光源的角距离，结果超过了实验所使用的单台10.9mm望远镜衍射极限的40倍，成功验证了该系统的高空间分辨成像能力。《物理评论快报》杂志审稿人评价“这项工作为超越由孔径大小决定的传统衍射极限提供了一种新的有趣成像方法（”This explores one of a variety interesting methods to image beyond the traditional diffraction limit driven by aperture sizes“）。

该研究工作得到了科技部、国家自然科学基金委、中科院、山东省、上海市和安徽省的支持。

论文链接：

https://link.网址未加载/doi/10.1103/PhysRevLett.127.103601

中国科大解析了分枝杆菌的管状运输

通道蛋白

分枝杆菌具有非常复杂的包膜结构，从内到外依次为包括细胞质膜、细胞壁（～14nm厚）和荚膜（～35nm厚）。其中，细胞壁由三层共价连接层组成，从内到外依次是：肽聚糖层、阿拉伯半乳聚糖层和糖脂非共价包围的分枝杆菌酸层。这种细胞壁结构是分枝杆菌特有的，并且整个包膜结构交错密集，疏水性强，流动性和通透性差，是分枝杆菌抵御外界压力的天然屏障。由于这种特有的复杂包膜结构，分枝杆菌与外界环境或宿主之间的物质运输具有独特的性质。并且分枝杆菌包膜上的通道可以分泌毒力因子和促进抗生素外排，从而帮助分枝杆菌致病，因此是很好的治疗靶标。但分枝杆菌细胞壁和荚膜上的物质运输通路目前还知之甚少。

近日，以我校微尺度物质科学国家研究中心龚为民教授和加州大学洛杉矶分校（UCLA）的周正洪教授为主的课题组合作在国际著名学术期刊Science Advances在线发表了题为“Identification and architecture of a putative secretion tube across mycobacterial outer envelope”的研究论文，分别通过X射线晶体学和冷冻电镜方法测定了结核分枝杆菌中的未知功能蛋白Rv3705c及其在耻垢分枝杆菌中的同源蛋白MSMEG_6251的三维结构，发现这两个蛋白均能在体外自组装为管状结构。通过一系列分子生物学和生物化学实验显示该蛋白在分枝杆菌外膜上发挥通道作用。因此将该蛋白命名为TiME (Tube-forming proteinin theMycobacterialEnvelope)。

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龚为民和周正洪教授的合作研究发现，TiME以八重对称方式形成内径为近60埃的环状结构（图左），两个单层环以tail-to-tail的方式形成双层环（图中），再以双层环为基本单元重复堆叠为管状结构（图右）。耻垢分枝杆菌细胞定位实验证实TiME蛋白主要分布包膜中，特别是在外膜和荚膜中更为丰富。TiME基因敲除后显著降低了耻垢分枝杆菌中分子量小于22Kda的蛋白分泌。如果在细胞培养时用去垢剂破坏荚膜和部分细胞壁，则TiME敲除株与野生菌株的蛋白质分泌没有明显区别，表明TiME蛋白主要在外膜中发挥作用。该研究首次在分枝杆菌荚膜中发现物质运输通道，为研究致病性分枝杆菌的物质运输机制和开发新的药物靶点提供了新的线索和思路。

我校微尺度物质科学国家研究中心龚为民教授和加州大学洛杉矶分校（UCLA）的周正洪教授为该文章的共同通讯作者。中国科大博士蔡潇颖、博士刘磊和硕士邱春红为该文共同第一作者。研究过程中，中国科大田长麟教授和中国科学院生物物理研究所毕利军教授给予了协作与支持。该研究得到了国家自然科学基金委和科技部国家重点研发计划的资助。

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文章链接：

https://advances.网址未加载/content/7/34/eabg5656

中国科大在机器学习提高超导量子比特读取效率上取得重要进展

近期，中国科大郭光灿院士团队在机器学习提高超导量子比特读取效率上取得重要进展。该团队郭国平教授研究组与本源量子计算公司合作，在本源“夸父”6比特超导量子芯片上研究了串扰对量子比特状态读取的影响，并创新性地提出使用浅层神经网络来识别和读取量子比特的状态信息，从而大幅度抑制了串扰的影响，进一步提高了多比特读取保真度。该成果以研究长文的形式发表在国际应用物理知名期刊《Physical Review Applied》上。

对量子比特状态的高保真度测量是量子计算中的关键一环。在超导量子计算中，对量子比特的读取依赖于量子比特与读取谐振腔之间的色散耦合，通过探测读取腔的色散频移效应可以推测量子比特所处的状态。近些年，国际上分别实现了高保真度的单比特单发读取以及多比特的多路复用式单发读取；然而，由于各种形式的杂散耦合的存在，邻近比特的状态可能会对目标比特的测量结果产生影响，从而降低测量保真度，进而降低量子算法的成功率。随着量子芯片的进一步扩展，为了进一步提高读取保真度，如何解决上述串扰问题将成为研究者们面临的主要挑战。

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图 1传统量子比特读取方案以及串扰的影响

为了解决读取串扰的问题，在此之前，国际上其他课题组的主要精力集中在如何从硬件层面抑制串扰，例如为每一个量子比特的读取腔单独配置一个读取滤波器，或者增大读取腔之间的空间和频域距离；这些方案虽然在一定程度上抑制了串扰，但是都对量子芯片的扩展和集成产生了不利的影响。

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图2 第一代“夸父”6比特超导量子芯片结构图

基于这些出发点，我实验室郭国平教授研究组与本源量子计算公司合作，通过对量子比特信息提取过程的抽象和模拟，提出一种新的量子比特读取方案：通过训练基于数字信号处理流程构建的浅层神经网络，实现对量子比特状态的精确识别与分类。研究人员将这一方案应用到本源“夸父”6比特超导量子芯片上，实验发现，新的读取方案不仅有效提升了6比特的读取保真度，而且大幅度抑制了读取串扰效应。同时，由于新方案中的数据处理可以进一步简化为单步矩阵运算，未来可以直接转移到FPGA上，从而实现对量子比特状态的0延时判断以及对量子比特的实时反馈控制。该方案不仅适用于超导量子计算，也同时适用于其他量子计算物理实现方案。

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