大爆发:清华大学1个月发了5篇Science/Nature主刊论文

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来源 | 清华新闻网、BioWorld(ID:ibioworld)整理

编辑 | 学术君

 

自7月10日到8月10日,一个月的时间内,清华大学以第一通讯单位在材料、生物以及芯片和量子技术等领域连续取得重要进展,5项相关成果依次发布在Science和Nature杂志。现简要摘录如下,希望对相关领域研究人员有所启发。
1. 首个硅藻光系统II-捕光天线超级复合体的近原子分辨率结构Science

清华大学生命科学学院隋森芳院士研究组与中科院植物所沈建仁研究员和匡廷云院士研究组合作首次报道了通过单颗粒冷冻电镜技术解析的海洋硅藻角毛藻(Chaetoceros gracilis)光系统II-捕光天线超级复合体分辨率为3.02埃的三维结构,为解释硅藻 (diatom) 高效的能量传递和强大的光保护机制提供了关键的结构依据。
光系统II(PSII)是一个色素-蛋白超级复合体,它催化光诱导的水裂解反应,将太阳能转化为化学能,并释放出氧气。为了充分利用太阳能,光合生物进化出不同的捕光天线复合体(LHCs)用来捕获太阳能,并将能量传递给光系统II。捕光天线复合体II(LHCII)与PSII核心结合形成PSII-LHCII超级复合体。生活在不同环境处在不同光照条件下的不同进化路线上的光合生物有着复杂多变的LHCII。LHCII除了捕获光能之外,还有一个重要功能就是将强光照条件下吸收的多余的能量耗散掉,从而避免强光对光系统的损伤。

Xiong Pi*, Songhao Zhao*, Wenda Wang*, Desheng Liu, Caizhe Xu, Guangye Han, Tingyun Kuang, Sen-Fang Sui, Jian-Ren Shen. The pigment-protein network of a diatom photosystem II–light-harvesting antenna supercomplex. Science. 2019
https://science.sciencemag.org/content/365/6452/eaax4406
DOI: 10.1126/science.aax4406
2. 实现四离子量子比特的全局纠缠逻辑门Nature

近年来,围绕量子计算与量子模拟的相关量子技术发展已取得诸多重要进展,对于量子系统控制的规模和精确度日益提升,使得量子计算机的实现不再遥不可及。这也正是寻找并填补实现实用性量子计算方法和技术缺失的良好时机。原则上,在量子线路模型下,任何通用量子计算任务都可以分解为一系列单量子比特门和双量子比特纠缠门的组合。然而这种分解所得到的量子线路往往并不是最高效的。某些算法或模拟所需要量子门,特别是双量子比特纠缠门的数量,会随着研究问题的规模增长呈指数量级的增加。因此,建立更高效的多量子比特纠缠操作的方法对于实现实用量子计算有促进作用。理论研究中,已有许多研究人员指出了多量子比特纠缠门,特别是其中的全局纠缠门的实用意义,但这些方案还缺乏实验验证。
清华大学交叉信息研究院金奇奂副教授研究组最近成功在离子阱系统中实验演示了超过两比特的全局纠缠逻辑门。金奇奂组在实验系统中对一种基于离子阱系统的全局纠缠门实现方案进行了演示与性能测试。离子阱系统作为实现大规模通用量子计算最具潜力的系统之一,具有最长的量子比特相干时间,能够执行高保真度的量子态测量与量子门操作。通过在单个势阱中囚禁多个离子,量子比特数可以扩展至数十至上百个,而基于此的小规模可编程量子计算机也在近日实现。离子阱量子计算系统利用激光驱动下量子比特与离子链联合振动模式的耦合实现比特间的纠缠,具有天然的全连接特性(即任意两个量子比特间都存在可控的相互作用)。因此任意比特间的量子纠缠仅需要单发操作(single shot)即可实现。这种全连接优势也使得全局纠缠门的实验实现成为可能。本研究所提出方案的关键在于优化与调制激光脉冲的强度和相位,以均匀地驱动所有量子比特间的相互作用。

Yao Lu, Shuaining Zhang, Kuan Zhang, Wentao Chen, Yangchao Shen, Jialiang Zhang, Jing-Ning Zhang & Kihwan Kim. Global entangling gates on arbitrary ion qubits. Nature. 2019
DOI:10.1038/s41586-019-1428-4
https://www.nature.com/articles/s41586-019-1428-4
3. 全球首款异构融合类脑芯片发布 “天机芯”有望促进人工通用智能发展Nature

人工智能技术的迅猛发展使人们在多个领域实现了前所未有的突破。但目前占主流的专有人工智能有很大局限性,可以赋能各行各业的人工通用智能是未来的发展方向,但至今尚无有效解决方案。发展人工通用智能主要有基于计算机和基于神经科学两个主要方向,二者各有优缺点,目前将两者融合被公认为是最佳解决方案之一,而其基础则为支持融合计算的平台硬件。
清华大学依托精密仪器系的类脑计算研究中心施路平教授团队发布了一项最新研究成果——类脑计算芯片“天机芯”。该芯片是面向人工通用智能的世界首款异构融合类脑计算芯片。该团队借鉴脑科学的基本原理,提出了符合脑科学基本规律的新型类脑计算架构——异构融合的天机类脑计算芯片架构,可同时支持计算机科学和神经科学的神经网络模型,例如人工神经网络和脉冲神经网络,发挥它们各自的优势。在2015年发展的第一代“天机芯”基础上,2017年第二代“天机芯”问世,经过不断改进设计,具有高速度、高性能、低功耗的特点。相比于当前世界先进的IBM的TrueNorth 芯片,第二代“天机芯”功能更全、灵活性和扩展性更好,密度提升20%,速度提高至少10倍,带宽提高至少100倍。基于天机芯片,类脑计算中心还自主研发出第一代类脑计算软件工具链,可支持从深度学习框架到“天机芯”的自动映射和编译,并利用类脑自动行驶自行车建立一个异构可扩展人工通用智能开发演示平台,利用一块天机芯片展示了自行车的自平衡、目标探测跟踪、自动避障、语音理解控制、自主决策等功能。上述研究成果为学界提供了一个发展人工通用智能的平台和思路,将能促进人工通用智能研究,从而赋能各行各业。

Jing Pei, Lei Deng, Sen Song, Mingguo Zhao, Youhui Zhang, Shuang Wu, Guanrui Wang, Zhe Zou, Zhenzhi Wu, Wei He, Feng Chen, Ning Deng, Si Wu, Yu Wang, Yujie Wu, Zheyu Yang, Cheng Ma, Guoqi Li, Wentao Han, Huanglong Li, Huaqiang Wu, Rong Zhao, Yuan Xie & Luping Shi. Towards artificial general intelligence with hybrid Tianjic chip architecture. Nature.
DOI:10.1038/s41586-019-1424-8
https://nature.com/articles/s41586-019-1424-8
4. 人类早期胚胎组蛋白修饰重编程过程Science

清华大学生命科学学院颉伟课题组与郑州大学第一附属医院孙莹璞/徐家伟课题组合作,揭示了人类早期发育过程中组蛋白修饰的重编程过程。表观遗传学修饰参与基因表达调控并影响个体发育。在哺乳动物早期胚胎发育过程中,卵细胞受精形成具有全能性的受精卵,并经过细胞分裂与分化形成囊胚,后者包含具有多能性的内细胞团。伴随着发育的进行,表观遗传学修饰经历了剧烈的重编程。近年来,以小鼠等模式生物为研究模型,DNA甲基化、染色质开放性、染色质高级结构以及组蛋白修饰等表观遗传学特征的动态变化过程和规律都逐渐被揭示。
颉伟实验室利用并优化了蛋白与染色质结合位点检测的新技术CUT&RUN,成功地在少至50细胞的样品中实现了组蛋白修饰全基因分布的检测。研究团队进一步与孙莹璞/徐家伟课题组合作,在人类发育成熟的卵母细胞和早期胚胎中检测了H3K4me3,H3K27me3以及H3K27ac的动态变化。研究结果表明,人类早期胚胎发育过程中的组蛋白重编程经历了和小鼠非常不同的动态变化。

Weikun Xia*, Jiawei Xu*, Guang Yu*, Guidong Yao*, Kai Xu, Xueshan Ma, Nan Zhang, Bofeng Liu, Tong Li, Zili Lin, Xia Chen, Lijia Li, Qiujun Wang, Dayuan Shi, Senlin Shi, Yile Zhang, Wenyan Song, Haixia Jin, Linli Hu, Zhiqin Bu, Yang Wang, Jie Na, Wei Xie, Ying-Pu Sun. Resetting histone modifications during human parental-to-zygotic transition. Science. 2019
DOI: 10.1126/science.aaw5118
https://science.sciencemag.org/content/early/2019/07/02/science.aaw5118
5. 超高能量密度无铅介电薄膜的多晶纳米设计Science

超高功率密度介质电容器是电力电子系统中的基本储能元件。然而,其发展过程中面临的一个长期挑战就是提高它们的能量密度。在本文中,清华大学的林元华教授与南策文院士团队用多晶纳米域设计策略设计了具有超高能量密度的无铅介电薄膜。他们在相场模拟的指导下,构思并合成了无铅的BiFeO3-BaTiO3-SrTiO3固溶膜,以实现嵌入立方矩阵中的菱形和四方纳米域的共存。该薄膜在保持高极化的同时获得了最小的磁滞回线,并获得了112J/cm3的高能量密度,高能量效率约为80%。这种方法对于设计高性能介电材料和其他受益于纳米结构操作的功能材料提供了借鉴意义。

Hao Pan, Yuanhua Lin, Cewen Nan et al, Ultrahigh–energy density lead-free dielectric films via polymorphic nanodomain design, Science,2019
DOI:10.1126/science.aaw8109
https://science.sciencemag.org/content/365/6453/578?rss=1

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