一周前沿科技盘点89丨给量子引擎注入强劲动能，还得靠这酷炫的燃料；三维数字首次重构，窥见人类极早期胚胎的秘密

被誉为“太空预言家”的亚瑟·克拉克曾在《遥远的地球之歌》一书中预见了量子引擎的出现。近日，科学家基于超冷40Ca+离子实验平台进行了实验，对量子引擎的“燃料”进一步探索，有了新的发现。

传统的量子霍尔效应实验研究常用来研究复杂量子物态，其采用“自顶而下”的方式弊端已逐步显现。我国科学家反其道而行之，采用“自底而上”的新范式，人工搭建出量子系统Plasmonium（等离子体跃迁型）。

基于国际科技创新中心网络服务平台科创热榜每日榜单形成的一周科技记忆，我们推出《一周前沿科技盘点》专栏。今天，为大家带来第八十九期。

1

《Physical Review Letters》丨给量子引擎注入强劲动能，还得靠这酷炫的燃料

系统特征参数的时间演化

被誉为“太空预言家”的亚瑟·克拉克曾在《遥远的地球之歌》一书中预见了量子引擎的出现。近日，中国科学院精密测量科学与技术创新研究院束缚体系量子信息处理研究组、广州工业技术研究院等研究机构展开合作，他们基于超冷40Ca+离子实验平台，探索纠缠作为一种量子资源对于量子引擎的影响。

研究人员发现，量子引擎在其工作物质处于纠缠状态时能输出更多的有用功，这表明纠缠可以作为一种“燃料”使用，未来量子引擎的研发应更多地关注机械效率，而非转换效率。这一结论也为研发量子马达和量子电池等微观能源器件提供了新的视角，利用工作物质的纠缠特性提升其最大可提取能量。

原文链接：

https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.132.180401

2

“自顶而下”之所短，“自底而上”之所长

成果示意图：16个非线性“光子盒”阵列囚禁的微波光子强相互作用形成分数量子反常霍尔态。

近日，中国科学技术大学潘建伟、陆朝阳、陈明城等利用基于自主研发的Plasmonium（等离子体跃迁型）超导高非简谐性光学谐振器阵列，实现了光子间的非线性相互作用，构建出作用于光子的等效磁场以构造人工规范场，在国际上首次实现了光子的分数量子反常霍尔态。

传统的量子霍尔效应实验研究采用“自顶而下”的方式，即在特定材料的基础上，利用材料已有的结构和性质实现制备量子霍尔态。这种情况下对实验要求较为苛刻，一般需要极低温、极强磁场、极高的二维材料纯净度。此外，传统“自顶而下”的方法也难对微观量子态进行单点位独立地操控测量，这就限制了其在量子信息科学中的应用。

Plasmonium则是人工搭建的量子系统，采用“自底而上”研究复杂量子物态的新范式，打破目前主流的Transmon（传输子型）量子比特相干性与非简谐性之间的制约，以更高的非简谐性提供了光子间更强的排斥作用。研究团队还通过交流耦合的方式构造出作用于光子的等效磁场，使光子绕晶格的流动可积累Berry（贝里）相位，解决了实现光子分数量子反常霍尔效应的两个关键难题。该系统具有可寻址、单点位独立控制和读取，以及可编程性强的优势，为实验观测和操纵提供了新的手段。

原文链接：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.ado3912

3

《Cell》丨三维数字首次重构，窥见人类极早期胚胎的秘密

人类早期胚胎发育过程中，原肠胚的形成是奠定成体中所有系统和器官不同细胞谱系及其功能基础。近日，北京理工大学生命学院肖振宇，中国科学院动物研究所王红梅、于乐谦、郭靖涛等科学家组成团队，他们基于芯片技术和三维动画重构技术首次重构高分辨率人类三维数字原肠胚，填补了原肠胚阶段人类胚胎发育知识空白。
研究团队通过构建完整的人类原肠胚3D模型，将单个细胞的空间信息与其基因表达相结合，系统描绘胚胎形态、细胞类群、空间位置和转录组特征，注释了不同的细胞亚型，证明了中胚层不同亚型先特化后迁移的假说、解析了重要胚外组织羊膜细胞发育过程和卵黄囊造血谱系特化。针对原肠胚前-后、背-腹、左-右体轴关键信号通路进行解析，他们发现，中胚层很有可能在尚未迁出原条时就已发生了细胞命运决定，并且，在该时期人类胚胎尾部很可能存在一个和中部脊索类似的组织中心。这些发现可以说是为窥探人类极早期胚胎发育打开了一扇全新的大门，不仅可以确定人类原肠胚形成过程的关键细胞和分子特征，还可以指导今后基于干细胞的人类胚胎模型的生成。

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.cell.2024.03.041

4

《Science》丨机械、半导体、界面、生物性，通过这种材料完美交融

半导体水凝胶的结构、掺杂机理与器件性能：A）半导体水凝胶兼具传统水凝胶和有机半导体的多种特点；B）高分子P(PyV)的抗离子交联机理和电化学掺杂机理；C-E）由半导体水凝胶构成的互补型逻辑电路及性能

水凝胶与导电材料复合后，可以实现电子导电，展现出优异的生物组织-电子器件界面特性，已经实现了多种检测、诊断和治疗功能。但和硅基电子器件相比，水凝胶电子器件因为缺少半导体水凝胶材料，尚难实现像开关、整流、运算、放大等丰富的集成电路功能。传统的有机半导体材料难以实现水溶液加工，尚无法和传统水凝胶复合，且无法在水溶液中实现优异的半导体性能。
对此，北京大学材料科学与工程学院雷霆课题组提出半导体水凝胶设计策略，填补了传统水凝胶材料无法实现高性能电子电路的空白。他们通过将水溶性阳离子共轭高分子用抗离子交联或与其他水凝胶共混形成多网络结构，实现了兼具优异机械性能、半导体性能、界面性能和生物相容性的半导体水凝胶。他们基于半导体水凝胶首次实现了具有优异开关特性的半导体水凝胶器件和逻辑电路，并实现了生物电信号的原位高信噪比放大。

原文链接：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adj4397

5

《SCIENCE CHINA Life Sciences》丨人类衰老或是一个“惯性滑行”的过程

人口生存曲线示意图

近期，清华大学药学院王钊团队提出一个全新视角去理解人类的衰老过程，挑战了传统的老年学研究。他们将人类衰老定义为成熟期后随增龄发生的机体功能/形态的退行性改变。
研究团队认为，进化为保证物种的进化速率以适应不断变化着的环境而确立了生物寿命的上限，但衰老并不属于进化事件，因为自然选择在生殖期后就不再发挥作用了。就像赛车在越过终点线（生殖期结束）后，赛车手不再踩油门，但也没有踩刹车，赛车由于惯性继续向前滑行。衰老类似这种“惯性滑行”，能滑行多远、持续多久与当时的车况、路况、环境条件等诸多因素有关，而惯性滑行的最终停止意味着生命的终结。因此，衰老是随机事件而不是进化事件，是自然选择的惯性作用结果。
研究团队认为，正由于衰老不属于进化事件，我们才能对衰老过程进行干预。衰老干预的目标是健康老龄化而不仅仅是生理寿命的延长。正是健康寿命与整体寿命之间的差异导致了人口老龄化负担的加剧。理想的状态是让人口的生存曲线“矩形化”。

原文链接：

http://engine.scichina.com/doi/10.1007/s11427-023-2579-1

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