科大资讯 | 近期科研成果速览

近日，中国科学技术大学教授潘建伟及合作者，在国际上首次实现了设备无关的量子随机性扩展，为设备无关量子随机数的实用化发展奠定了坚实基础。相关的研究成果近日分别发表于《自然•物理学》和《物理评论快报》上。

基于量子物理内禀特性产生的量子随机数被认为是区别于经典随机数的一种真正不可预测的随机性资源。然而，量子随机数产生器若使用了恶意第三方生产的器件或设备，会有随机数泄露的隐患。设备无关的量子随机数产生协议解决了这一问题。设备无关的量子随机数产生的本质在于，无漏洞贝尔不等式的违背证明了固有的量子相干性是随机性的来源。该方案产生的随机比特仍然具有目前最高等级的安全性，任何基于量子或经典物理的策略都无法对结果进行预测。

潘建伟团队和合作者于2018年首次实验实现了设备无关的量子随机数产生。这一次，潘建伟团队及其合作者们设计并实现了设备无关的量子随机性扩展。英国Paul Skrzypczyk博士在《自然·物理学》撰文评价该工作“毫无疑问提供了最高质量的随机数，是量子技术快速发展的一个里程碑”。《物理评论快报》审稿人评论为“量子随机数产生/随机扩展领域中的开创性工作”。两项研究成果分别使用不同的理论方案各自独立完成，为未来设备无关量子随机数的商业化与实用化奠定基础。

金属有机骨架（MOF）因其高的比表面积和结构的可调控性在诸如吸附、分离、气体存储，催化剂载体等方面展现出重要的应用场景。微孔MOF

近日，中国科学技术大学的刘波教授课题组提出了氨气气相蚀刻的方法，在羧酸配位的微孔MOF (HKUST-1, [Cu3BTC2]，BTC = 1,3,5-苯三羧酸)中生成介孔，制备分级孔MOF（如图）。相关研究成果于4月6日发表在《德国应用化学》。

氨作为气相蚀刻剂首先均匀的吸附于微孔MOF中，确保了MOF晶体内的均匀蚀刻。在HKUST-1模型中，发现介孔尺寸受蚀刻温度控制;而介孔孔体积可以通过改变蚀刻剂氨气的压力来调节。由于MOF晶体的各向异性不同晶面的稳定性不同，进一步实现了晶面定向刻蚀。更为重要的是，生成的介孔可以使用MOF前驱体溶液进行修复，从而将被吸附的分子(亚甲基蓝)包覆其中。如图所示，这个刻蚀-修复的过程如同对微孔MOF实施分子尺度的外科手术一般 。

基于气相刻蚀的分子尺度外科手术式的策略为我们提供一个强大的工具来定制和调控多级孔MOF材料的性能，在大分子/纳米颗粒的吸附/分离,胶囊化等领域具有重要应用前景。

钙敏感受体CaSR主要分布在人体的甲状腺、甲状旁腺、骨骼、肠道系统以及肾脏等器官中，它能感应钙离子的浓度，通过平衡钙离子的吸收和外排从而维持人体中的钙离子平衡。有关CaSR的生理、病理、细胞以及生化研究已经开展很多年，但是其完整激活机制目前仍然不清楚，而且限制了靶向CaSR受体的相关药物研发。

近日， 中国科学技术大学生命科学与医学部田长麟教授团队联合清华大学刘磊教授团队在CaSR的结构与功能机制研究方面取得重要进展，相关成果发表在cell research杂志。该工作入选cell research 杂志四月封面文章（图1）。

该研究在国际上首次报道了人源全长钙敏感受体CaSR蛋白在四种不同条件下的冷冻电镜三维结构，通过结构分析首次阐明了全长CaSR受体的完整激活机制(图2)。研究还首次展示了全长CaSR蛋白的高分辨三维结构，特别是之前从未报道过的TMD结构。该结构信息使得后续以CaSR-TMD为靶点的别构调节药物设计和开发变得更加高效和准确。

我校潘建伟院士团队实现长距离大损耗自由空间高精度时间频率传递实验，证了基于中高轨卫星实现万秒E-18量级稳定度的星地时频传递的可行性，为未来空间光频标科学实验和洲际光钟频率传递和比对奠定了基础。该成果于2021年4月6日在线发表在国际学术知名期刊《Optica》上。

目前国际计量标准体系正处于量子化阶段，由于具有最高准确度，频率标准在精密测量和国际计量体系中居于核心地位，目前除物质的量（mol）外其他基本物理量均直接或间接地溯源到频率标准。另一方面，新型光频标技术的快速发展，导致了其精准程度已经比原有“秒”定义频标好两个数量级；国际计量组织计划2026年讨论“秒”定义变更，技术路线图的重要一环就是洲际E-18量级光频标的时间频率比对。

通过低噪声光梳放大、低损耗高稳定双光梳干涉光路和高精度高灵敏度线性采样等关键技术攻关，研究团队在上海市区成功搭建了16公里水平大气自由空间高精度的双光梳时频传递链路，在72dB平均链路损耗和模拟长达1s链路传输延迟下，成功实现了4E-18@3000s稳定度的时频传递。实验结果表明，基于高轨星地链路实现万秒E-18量级稳定度的时频传递具有可行性。

我校郭光灿院士团队在集成光子芯片上实现了基于微腔简并模式的高效光子频率转换，并进一步探究了微腔内的级联非线性光学效应，实现跨波段的频率转换和放大。相关成果发表于国际学术期刊《物理评论快报》上。

相干光学频率转换在经典和量子信息领域都有广泛的应用。集成光子芯片上微腔可以增强光和物质相互作用，所以可以提升非线性光学效应，同时还具有体积小，可扩展性高，能耗小等优点，是实现高效率光学频率转换和其他非线性光学效应的重要平台。

然而，在芯片上实现腔增强的频率转换过程，需要满足三个或更多光学模式的相位匹配，这对于器件的设计、加工和调控提出了非常苛刻的要求。为此，研究团队提出了一种新颖的简并和频效应，仅需要两个光学模式就可以实现高效率的相干频率转换。并且，他们还实现了工作波长的精确调控。

审稿人对该工作给予了高度评价：“总的来说，该工作提供了一种高效率片上频率转换的新颖方法，这对片上量子信息处理极其重要，转换效率的每一个百分比在这些应用中都至关重要。”

我校翁建平教授团队在1型糖尿病妊娠期疾病综合管理中取得重要进展。相关结果于4月2日在国际糖尿病领域知名期刊Diabetes care上发表。

1型糖尿病，多起病于儿童和青少年时期，也可以发生于各个年龄段，必须终身接受以胰岛素治疗为核心的综合管理才能获得满意疗效，否则将危及生命。妊娠可能导致1型糖尿病并发症进展，未得到有效孕期疾病管理的1型糖尿病女性不良妊娠结局风险较正常人高4-10倍。

从2015年开始，翁建平教授团队设计并联合全国11家中心开展了通过实施孕产全程管理方案以改善中国1型糖尿病女性妊娠结局的研究。本项目设计以前瞻性队列研究为主，结合卫生服务学方法，建立并实施1型糖尿病孕前优生咨询和筛查路径；孕产全程血糖等重要指标优化达标治疗方法和分娩后新生儿综合处理路径等。最终证实该研究所构建的1型糖尿病妊娠期疾病管理流程可以显著降低不良妊娠结局。这是全球首次将1型糖尿病合并妊娠的妊娠结局（母婴健康）提升到接近正常孕妇水平。

审稿人认为：“这是一个具有非常意义的国家级1型糖尿病妊娠疾病管理计划。这个项目使得1型糖尿病女性不良妊娠结局风险显著改善。“

中国科学技术大学沈延安课题组以高精度镍(Ni)同位素分析为主要手段对加拿大北极地区的晚二叠-早三叠地层进行了系统研究，提出西伯利亚大火成岩省喷发产生的含镍气溶胶是二叠纪末生命大灭绝的重要因素这一新观点。相关研究成果发表于综合学术期刊《自然-通讯》。

在过去30多年，国内外学者一般认为造成生命大灭绝和环境巨变的根源在于西伯利亚大火成岩省的喷发。但最近的精确年龄测试表明，西伯利亚大火成岩省在二叠纪末生命大灭绝事件的30万年之前就已经开始喷发，因此大火成岩省的喷发和生命灭绝的成因联系成为地球生物学领域未解的重要科学问题。

研究人员对Buchanan Lake剖面进行高精度Ni同位素测试后认为，西伯利亚大火成岩省的喷发形成了大量含Ni的气溶胶，它们经过全球大气环流的传输沉降至海洋和陆地。Sverdrup盆地的Ni同位素组成清晰地记录了从火山喷发、大气传输到海洋化学组成变化这一系统过程(下图)。该研究不仅证明了Ni在改变海洋和陆地环境方面的重要作用，而且为西伯利亚大火成岩省喷发和全球环境变化之间的成因联系搭建了桥梁。

中国科学技术大学郑志军研究组在粗糙表面的弹性吸附接触力学方面取得新进展。他们发现表面粗糙度可以改变接触界面的强度和吸附模式，并揭示了界面增强/减弱和吸附模式转变的力学机理。相关研究成果发表在固体力学领域旗舰期刊Journal of the Mechanics and Physics of Solids 上。

自然界中许多现象与粗糙表面吸附接触问题密切相关，如昆虫吸附在物体表面、壁虎在墙壁上行走。理想光滑表面并不存在，实际表面都是粗糙的，表面粗糙度对材料吸附行为的影响存在着持久性争议，力学机理尚不明晰。

研究团队通过建立粗糙表面变形与相互作用的自洽方程，发展了完全自洽模型(FSCM)。该模型是连续介质力学框架内最为准确的吸附接触力学模型，然而自洽方程中含有强非线性积分项，需要通过数值迭代求解。为此，研究人员利用椭圆积分的性质，结合Riemann–Stieltjes积分等技术解决了数值求解的困难，获得了高精度的数值计算结果。

在较小的表面粗糙度下，完整载荷–位移曲线呈现单重振荡特征，这与Guduru基于JKR理论获得的认识一致。而在较大的表面粗糙度下，完整载荷–位移曲线呈现双重振荡或局部回旋振荡特征（图c），区别于JKR理论预测的单重振荡特征。研究人员发现，随着粗糙度的增加，界面强度先增大后减小，吸附模式从简单接触转变为多点接触。进而，研究人员建立了吸附模式分区图，给出了界面增强/减弱的临界粗糙度，并揭示了吸附增强/减弱的力学机理。这些认识表明在后续发展粗糙表面吸附接触的简化模型时，必须放弃紧密接触条件，并约束粘着应力的最大取值。

该研究不仅系统地揭示了表面粗糙度对界面吸附行为的影响机制，还为吸附接触力学模型研究提供了新思路。