创新

光 量子集成芯片获重要进展

光实现“快速到达”问题的量子加速算法

●创新点

近年来，关于通用量子计算机的新闻屡见于报端，IBM、谷歌、英特尔等公司争相宣告实现了更高的量子比特数纪录。但是，即使做出几十个甚至更多量子比特数，如果没有做到全互联、精度不够或者无法进行纠错，通用量子计算仍然无法实现。即使以现在各种量子比特载体可以实现的极限操控精度，进行量子纠错，通用量子计算机需要高达上百万个量子比特才能真正超越经典计算机。专用量子计算，由于可以直接构建量子系统，不需要依赖复杂的量子纠错，因而相对于通用量子计算具有更灵活的实现方式和更高的可行度。一旦能够制备和控制的量子系统达到全新尺度，将可以直接用于探索新物理和在特定问题上推进远超经典计算机的绝对计算能力。量子行走作为专用量子计算的重要内核，已经在许多优化算法中被理论预测具有明显量子加速效果。其中，对于粘合树结构上的“快速到达”问题，量子行走的优势尤为突出。量子行走具有天然的叠加态特性，在面对分叉选择的时候，不是选择左或者右，而是可以选择左和右的叠加态，使得量子行走在粘合树结构上可以轻松“快速到达”，对优化、搜索等实际问题都有潜在的广泛应用前景。常规的二叉粘合树的节点数目随着层数增加呈指数级增加，会迅速耗尽几何上的制备空间，因此是不可扩展的。上海交通大学金贤敏研究团队最新研究成果，报道了首个基于光子集成芯片的物理系统可扩展的专用光量子计算原型机，首次在实验上实现了“快速到达”问题的量子加速算法。

●方法和结果

该研究团队在飞秒激光直写制备的三维光量子集成芯片中成功构建了大规模六方粘合树，并演示了量子快速到达算法内核，相比经典情形展示了平方级加速。研究人员进一步分析了量子行走和经典随机行走在六方粘合树结构上的“快速到达”表现随着结构层数的量化关系。量子最优到达效率始终比经典最优到达效率高一个多数量级。对于最优到达效率所对应的最优演化长度，量子算法和经典算法分别需要与粘合树层数呈线性及平方关系的演化长度。也就是说，量子算法对于“快速到达”问题在更大的任务尺寸上具有更大的优势。

应用前景

基于三维光子集成芯片的大规模量子演化系统，使研发各种物理系统可扩展的专用光量子计算原型机成为可能。同时，这种粘合树结构很容易让人联想到计算机科学中的二元树或决策树，若能将量子算法运用到计算机科学中的优化、管理、信息搜寻等各种实际问题中，有望极大地推动量子计算机的实际应用。此外，该研究成果有望用来解决许多跨学科交叉的科学问题并衍生新兴研究领域，如实验室天文学模拟、量子人工智能、量子拓扑光子学、生物医药及成像等学科相关的综合性研究。

Source：Tang Hao, Franco Carlo Di, Jin Xian-Min, et al.Experimental quantum fast hitting on hexagonal graphs [J/OL]. Nature Photonics, 2018. https://www.nature.com/articles/s41566-018-0282-5.

鲸 须仿生材料取得重要进展

可应用于海洋环境开发

●创新点

探索天然生物材料结构-功能机理而设计制备仿生材料已成为新材料领域的研究前沿。作为地球上生命起源之地，海洋占据了地表71%的面积，蕴藏着富饶但绝大部分还未被开发研究的生物资源。鲜为人知的鲸须即是材料设计与仿生方面的典范。鲸须是须鲸口腔中的角蛋白结构，由一系列平行排列悬挂的须板组成，上百年承受来自循环水流及捕食物的作用力为须鲸提供可靠、高效的过滤摄食功能而不发生断裂失效，天然鲸须具有优异的强韧性，从11世纪到20世纪一直是西方国家用来制作女士紧身塔的材料，也是美国阿拉斯加州本地特色编篮艺术品的原材料。目前，研究人员对鲸须的研究很少，主要集中在对其描述性的生物学和初步的生物力学方面。最近，中国科学院深圳先进技术研究院人体组织与器官退行性研究中心的科研团队在鲸须仿生材料研究方面取得新进展。

●方法和结果

该研究首次从仿生材料角度研究鲸须，阐明其抑制裂纹扩展和抗断裂性能与其多层级递阶结构的理论关联，分析水含量及加载速率共同作用时对鲸须断裂韧性的影响效果及作用机理，明晰抑制裂纹扩展及其过程中韧化机制的关键结构因素；结合计算机模拟及高精度多材料3D打印技术设计并制备出一系列结构逐级复杂的仿生结构模型，在多尺度上实现各级单元的结构特征，从试验上证实多层级结构对鲸须在变速载荷下力学行为的影响，并证实鲸须跨多尺度的微纤丝-基体结构，矿化的细管-管间结构及夹层结构使得其在裂纹扩展中表现出多种韧化机制，具有优异的抗断裂性能。

应用前景

当前，轻质高强韧的先进复合材料已应用于海洋环境，而其中断裂韧性是高性能船艇、潜水器及海洋能源设备等结构材料的重要考虑因素。该研究创新性提出天然海洋生物为适应海洋环境而进化形成的结构材料可为研发海洋设备用材料提供极有价值的指导信息，为开发海洋环境先进复合材料提供新的研发思路。

Source：Wang Bin, Sullivan Tarah N., Pissarenko Andrei, et al.Lessons from the Ocean: Whale Baleen Fracture Resistance [J/OL].Advanced materials, 2018. https://doi.org/10.1002/adma. 201804574.

cfDNA 检测效率显著提高

有望实现癌症的早期发现和诊断

●创新点

传统的癌症诊断，主要依靠的是活体组织检查（即活检），这种技术需要从患者体内切取、钳取或穿刺等取出病变组织，进行病理学检查。活检最大的优点就是准确，但进行活检的前提是已经发现了肿瘤，存在滞后性。如果能够实现癌症的早期发现和诊断，也就意味着能够将癌症扼杀在摇篮里，更能够免去肿瘤转移以及后续治疗的痛苦。近几年，用于癌症早期诊断和预后管理的微创液体活检技术取得突破性进展，这种液体活检技术，只需要通过体外无创抽血，对肿瘤或转移灶释放到血液的循环肿瘤细胞(CTC)和循环肿瘤DNA（ctDNA）碎片进行检查，即可实现对全身肿瘤的信息监测，规避传统方式需要手术、穿刺活检的局限性。

目前，液体活检技术还面临诸多挑战。首先，想要在血浆中找到肿瘤的蛛丝马迹，无异于大海捞针。液体活检的主要检测分析对象，是血浆中的CTC、循环无细胞DNA(cfDNA)、ctDNA，还有一些分析物包括循环无细胞RNA（cfRNA）、细胞外囊泡（EVs）以及某些蛋白质和代谢产物。在肿瘤发生早期，这些检测对象（如ctDNA）的量很少。此外，如何将检测分析对象与癌症诊断准确对应也是一个关键的难题。最近，来自加拿大多伦多大学的研究团队在液体活检研究方面取得了重要的进展。

●方法和结果

研究人员使用免疫沉淀技术和高通量测序进行分析，通过对常见甲基化修饰位点区域的富集，大幅提高cfDNA的检测效率。研究人员通过对来自7个疾病部位（肺癌、胰腺癌、结肠直肠癌、乳腺癌、白血病、膀胱癌和肾癌）的300名患者肿瘤样本和健康供体样本以及cfDNA进行分析，识别出每种癌症类型特有的数千种修饰，并且成功实现血浆DNA与肿瘤DNA的匹配。之后，研究人员又进一步扩大研究范围，对来自更多癌症类型的700多种肿瘤和血液样本进行了分析和成功匹配。

应用前景

这项技术有望带来一种非侵入性、低成本、灵敏度高的早期癌症检测手段，造福更多患者。

Source：Shen ShuYi,Singhania Rajat, Fehringer Gordon,et al., Sensitive tumour detection and classification using plasma cell-free DNA methylomes [J], Nature, 2018,563: 579-583.