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來源 | 澎湃新聞、學之策

來自中國的量子信息和生命科學科研成果于6月3日、6月4日接連登上國際頂尖學術期刊《自然》、《科學》雜志封面。

6月3日刊發的《自然》雜志封面為“Quantum connections”（量子連接），論文來自中國科大的郭光燦院士團隊。該研究中，中國科學家首次實現多模式復用的量子中繼基本鏈路，展現了多模式復用的量子通信加速效果，并實現了兩個固態存儲器的量子糾纏。該工作為高速率、大尺度量子網絡的建設提供了全新的實現方案。

1天之后，6月4日刊發的《科學》雜志封面為“How transcription begins”（轉錄是如何開始的），論文來自復旦大學徐彥輝研究員團隊。該研究關注發生在基因啟動子區的轉錄起始過程，這也是基因表達調控的核心，決定著細胞的命運，影響眾多生理病理過程。徐彥輝團隊的研究包含通用轉錄因子（TFIID）的轉錄前起始復合物結構，揭示了啟動子識別及PIC裝配的動態過程，意義重大。

2天內2大國際科學頂刊封面接連聚焦中國的研究成果，是中國科研實力上升的縮影。尤其值得關注的是，中國的青年科學家在中國科技創新體系中正在扮演日益重要的角色。

構建量子網絡

《自然》的封面則報道了中國科學家郭光燦院士團隊首次實現多模式復用的量子中繼基本鏈路，展現了多模式復用的量子通信加速效果，并實現了兩個固態存儲器的量子糾纏。該工作為高速率、大尺度量子網絡的建設提供了全新的實現方案。

遠程量子糾纏傳輸是構建大尺度量子通信網絡的一項基本任務。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衰減。比如，通過光纖向距離1000公里外的地方每秒發射100億個光子，300年才能接收到1個光子。就是說，光子通過光纖的直接傳輸距離被限制在數百公里。

為此，科學家提出量子中繼以實現遠程量子糾纏傳輸。這是指，將遠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臨近節點間建立可預報的量子糾纏，然后通過糾纏交換技術進行級聯，從而逐步擴大量子糾纏的距離。

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

實際上，由于量子態的脆弱性，量子的存儲和讀取過程中不改變量子態十分困難。

到目前為止，已經在冷原子氣體和單量子系統中實現量子中繼的基本鏈路，但均采用發射型量子存儲器。發射型存儲器的糾纏光子是由存儲器直接發射出來的，其結構簡潔，但兼容性較差，難以同時滿足確定性量子光源及多模式復用這兩個量子中繼中關鍵的通信加速技術。確定性量子光源不存在多光子噪聲，其發射效率可以逼近100%。多模式復用與經典光通信中的復用技術原理類似，即并行使用不同的時間或頻率模式的光子來加快通信的速率。

使用吸收性量子存儲器可以克服這些問題。在基于吸收型量子存儲器的量子中繼架構中，量子光源與量子存儲器相獨立，所以這種架構可以同時兼容確定性量子光源以及多模式復用，是目前理論上傳輸速率最快的量子中繼方案。

一個基本鏈路由兩個分離的量子節點，以及中間站點貝爾態測量裝置組成。每個量子節點中除了“牛郎”、“織女”、量子存儲器之外，還各有一個糾纏光子對。

實驗中，每個糾纏光子對中的一個光子被量子存儲器捕獲并存儲，每個糾纏光子對的另一個光子通過光纖同時傳輸至中間站點“鵲橋”進行貝爾態測量，通過測量建立糾纏。

因此，“牛郎”和“織女”借助“鵲橋”可以在沒見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：“我們成功演示了4個時間模式的并行復用，獲得了4倍加速的糾纏分發速率，經過實驗驗證，通過貝爾態測量預報兩個節點之間的糾纏保真度超過80%。”

李傳鋒教授表示：“下一步，研究組將繼續提高量子存儲器的各項指標，并采用確定性糾纏光源，從而大幅提高糾纏分發的速率，努力實現超越光纖直接傳輸的實用化量子中繼器。”

探索生命的奧秘

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在上世紀90年代，科學家們發現一個功能非常重要的轉錄共激活因子，命名為中介體（Mediator）。Mediator由26個蛋白所組成，分子量1.5兆道爾頓。由于人體中絕大多數活躍基因都需要Mediator才能夠實現高表達。因此，對Mediator及PIC-Mediator復合物的研究是轉錄領域的核心。

6月4日刊的《科學》雜志聚焦了徐彥輝課題組的研究《人源中介體復合物及其結合轉錄前起始復合物的結構研究》（Structures of the human Mediator and Mediator-bound preinitiation complex），報道了首個結構與功能完整的PIC-Mediator復合物。

徐彥輝研究員為復旦大學博士生導師、復旦大學附屬腫瘤醫院兼職教授。徐彥輝的學士學位、博士學位均來自清華大學。他是饒子和院士、施一公院士的弟子。博士畢業后，他來到美國普林斯頓大學的施一公教授實驗室，開始了博士后的培養。

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徐彥輝研究員

對于這項最新的研究，復旦團隊表示，結構分析揭示了PIC-Mediator的動態組裝過程以及Mediator調控Pol II CTD磷酸化的分子機制。該項工作與徐彥輝團隊近期關于PIC的研究相呼應，較為全面地回答了轉錄起始過程的若干重要科學問題，是國內分子生物學領域的又一重大突破性成果。

該項工作首先報道了人源Mediator復合物近原子分辨率的冷凍電鏡結構，首次把26個Mediator亞基進行完全定位和建模，為后續結構功能研究奠定了堅實基礎。研究發現Mediator的Tail模塊可呈現延展構象和彎折構象，兩個構象的Mediator被分別命名為MED-E和MED-B。其中，MED-E與以往報道的結構相似，而MED-B構象是首次發現，表明Mediator本身的動態性。

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TFIID賦予了PIC-Mediator結構和功能的完整性。在PIC-Mediator整體結構中，Mediator和TFIID分別位于TFIIH的上下兩面，兩者共同結合并穩定TFIIH，使TFIIH中CDK7激酶和XPB移位酶在PIC-Mediator中正確定位并發揮活性。其中XPB推動啟動子DNA進入Pol II催化中心開始轉錄，而CDK7磷酸化Pol II的CTD允許Pol II聚合酶離開啟動子區進入轉錄延伸，二者的活性是轉錄起始所必須的。TFIID還賦予了PIC-Mediator組裝的高度動態性。通過兩種代表結構進行比對，可看出PIC-Mediator各個部分都不同程度的發生了模塊重排，使其更好地適應高度動態的轉錄起始過程。上述發現在基于TBP的PIC-Mediator系統中并未被報道，說明TFIID在轉錄起始超級復合物PIC-Mediator的組裝和發揮功能中的關鍵作用。

該項工作提供了具有生理相關性和功能完整性的PIC-Mediator復合物結構，揭示了完整PIC-Mediator復合物的動態組裝過程，提出了Mediator調控Pol II CTD磷酸化可能的分子機制。結構及其所提示的功能關聯性對后續轉錄機制研究具有重要的指導意義，將分子生物學領域相關研究推到了一個新的高度。

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