“九章二号”量子计算原型机问世
中国科学技术大学潘建伟、陆朝阳、刘乃乐等组成的研究团队与中科院上海微系统与信息技术研究所、国家并行计算机工程技术研究中心合作，构建了113个光子144模式的量子计算原型机“九章二号”，完成对用于演示“量子计算优越性”的高斯玻色取样任务的快速求解，求解速度比目前全球最快的超级计算机快10的24次方倍（亿亿亿倍）。
量子计算机在原理上可通过特定算法在一些具有重大社会和经济价值的问题方面，获得比经典计算机更强的算力。早在1981年，诺贝尔奖获得者费曼就提出了量子计算的初步想法。大规模量子计算机的物理实现，是世界科技前沿的重大挑战之一。
2020年，潘建伟团队成功构建了76个光子100个模式的高斯玻色取样量子计算原型机“九章”，处理高斯玻色取样的速度比超级计算机快一百万亿倍，使中国成为全球第二个实现“量子优越性”的国家。同时，“九章”还克服了谷歌基于“悬铃木”超导处理器的随机线路取样实验中量子优越性依赖于样本数量的漏洞。
今年，潘建伟团队在“九章”的基础上，进行了一系列概念和技术创新，于近期成功研制出“九章二号”。他们设计并实现了受激双模量子压缩光源，显著提高了量子光源的产率、品质和收集效率，将光源关键指标从63%提升到92%；通过三维集成和收集光路的紧凑设计，多光子量子干涉线路增加到了144维度；通过动态调节压缩光的相位，实现对高斯玻色取样矩阵的重新配置，演示了“九章二号”可用于求解不同参数数学问题的编程能力。
根据目前已正式发表的最优化经典算法，“九章二号”在高斯玻色取样这个问题上的处理速度比最快的超级计算机快亿亿亿倍，比“九章”快100亿倍。“九章二号”1毫秒可算出的问题，全球“最快超算”需30万亿年。
相关成果10月26日以“编辑推荐”的形式发表于《物理评论快报》。著名量子物理学家、加拿大卡尔加里大学教授巴里·桑德斯认为，这是“令人激动的实验杰作”。
原生生物缓解气候变化
气候变化对地球上相互联系和依存的生命网络意味着什么呢？美国研究人员表示，人们或许可以从几盎司的微生物汤中窥见未来。
每一滴池塘水和一茶匙的土壤都充满了成千上万被称为原生生物的微小单细胞生物。它们数量众多，据估计，其重量是地球上所有动物体重之和的两倍。
20多万种已知的原生生物经常被忽视。但杜克大学生物学助理教授Jean Philippe Gibert说，随着气温变暖，它们可以在缓冲气候变化的影响方面发挥重要作用。
研究人员表示，这是因为它们吞噬细菌，并在呼吸时将二氧化碳释放到空气中，就像人类呼气时一样。但是，由于细菌占地球生物量的比例超过了除植物以外的任何其他生物，因此它们是二氧化碳的最大自然排放者之一，而二氧化碳是导致全球变暖的温室气体。
在近日发表于美国《国家科学院院刊》的一项研究中，研究人员通过创造一个微型生态系统测试了气候变暖对以细菌为食的原生生物的影响——每个玻璃烧瓶里装着10个不同种类的原生生物。
烧瓶被保存在从60华氏度到95华氏度的5种温度下。两周后，研究人员观察了在每种温度下存活的物种，并测量了它们在呼吸过程中释放的二氧化碳量。
研究人员发现，每个物种对温度的反应都可以通过对其大小、形状和细胞内容物的一些简单测量来预测。这些因素共同影响着整个群落的呼吸速率。
他们还发现，通过测量细胞的大小和形状，并将它们插入一个数学模型，可以非常接近于其微型生态系统在现实中的运行状态。
研究人员说:“我们实际上可以利用所知的特性和温度反应之间的关系，将其扩展到整个生态系统层面。”这项工作很重要，因为它阐明了“气候变化将如何改变微生物群落，以及这将如何反向影响气候变化的速度”。
神秘的“外星信号”是假的
10月25日，研究人员在《自然—天文学》的两篇论文中指出，2019年澳大利亚望远镜检测到的比邻星无线电信号似乎来自地球，而不是外星人。
这项由俄罗斯亿万富翁Yuri Milner出资1亿美元的外星智能搜索项目“突破监听”，对2019年发现的不寻常无线电波束进行了仔细研究，发现这根本不是外星人。“该信号来自某些技术人为的无线电干扰，可能来自地球表面。”这两篇论文的合著者、加利福尼亚大学天文学家Sofia Sheikh说。
这一信号被称为“突破监听候选者1”（BLC1），是由位于澳大利亚东南部的64米长的帕克斯·穆里扬射电望远镜探测到的。该信号来自半人马座近邻的方向，半人马座近邻是离太阳最近的恒星，距离太阳仅4.2光年。
半人马座近邻引起“突破监听”研究人员的强烈兴趣，不仅仅是因为它在地球附近，更重要的是，这颗恒星至少有两颗行星，其中一颗行星的轨道距离合适，液态水可以在其表面存在。
该望远镜在观测过程中，捕获到了超过400万个不同波长的无线电发射信号。其中一个所谓的“击中”似乎是一束频率约为982兆赫的精确无线电波束，这意味着它的波长约为0.3米。2019年4月29日，它闪耀了大约2.5小时，频率慢慢增加，然后消失了。
研究人员对发现的每一次“击中”都进行了一系列属性检查。其中一项标准是，如果信号来自一颗绕恒星运行的遥远行星，观察到的频率应该随着该行星的旋转和轨道运行而缓慢平稳地变化。在帕克斯对比邻星的400万次观测中，只有大约100万次证明了这一点。
第二个主要标准是，当望远镜略微指向目标恒星系统时，信号应该消失。这就排除了大部分命中的信号，将范围缩小到5160个有希望的信号。
BLC1的特殊之处在于，其所覆盖的频带非常窄，排除了所有可能的天体物理无线电波来源。此外，天文台1000公里以内，没有使用该频率的已登记发射机，且它的持续时间比从望远镜上方经过的飞机或卫星发出的无线电信号要长。
目前为止，“突破监听”团队分析的数百万个信号中，这是唯一一个看起来真的可能是外星人发出的信号。
在发现并标记出BLC1后，Sheikh团队通过对比邻星系统的档案观测，寻找与此类似的信号。他们还发现了60个不同频率的其他信号，这些信号在其他方面与BLC1几乎相同。但当望远镜指向远离比邻星的地方时，所有这些信号仍然可以被探测到，这表明它们是由天文台附近的人为技术产生的。
虽然只有当望远镜指向目标恒星系统时才检测到BLC1，但研究人员发现这可能是一个巧合，这个信号最有可能是由两个相互干扰的人造无线电发射器产生的。
Sheikh在一份声明中表示：“在海量信号中，最可能的解释仍然是，这是人类科技发出的一种‘奇怪’信号，恰好以正确的方式骗过了我们的过滤器。我们仍然不能百分之百地确定BLC1不是来自外星技术的信号，但现在来看它是外星技术的可能性非常低。”
科学家实现三氧化二砷“仿生递送”治疗白血病
白血病，是一种令人“谈虎色变”的恶性肿瘤，俗称“血癌”。由中国学者提出的三氧化二砷（ATO）已获批成为急性早幼粒细胞白血病治疗的药物。
为提升其治疗效果并扩展适应症，中国科学院过程工程研究所生化工程国家重点实验室研究员马光辉、魏炜课题组提出一种“仿生递送”新策略，并联合北京大学教授马丁和南方医科大学珠江医院教授李玉华开展了紧密合作，利用体内存在的天然铁蛋白颗粒（Fn）作为药物载体，解决了Fn高效装载ATO的难题并实现了靶向递送，显著抑制了多种白血病的进展。
研究论文于北京时间2021年10月25日晚23时在《自然—纳米技术》（Nature Nanotechnology）上发表。
仿生递送的原理是基于体内天然颗粒创建药物载体，并借助体内固有路径靶向递送药物。其优势是能够克服体内复杂环境和多重屏障，并且具有较高的成药性。
研究团队首先收集大量临床外周血和骨髓样本，发现健康样本中的红细胞、淋巴细胞、单核细胞和粒细胞的CD71表达水平较低（平均阳性率<10%），而患者样本中白血病细胞的cd71表达水平显著升高（平均阳性率>90%）。CD71的特异性高表达不受限于白血病的类型和进程，证明了其作为白血病细胞广谱靶点的可行性。
图1：白血病细胞CD71表达、As@Fn的构建和靶向性分析：（a）白血病患者骨髓中各细胞群CD71表达阳性率；（b）各细胞群比例；（c）各细胞群C71表达丰度；（d）As@Fn透射电镜图；（e）As@Fn能谱图；（f）As@Fn球差电镜图；（g）As@Fn和白血病细胞特异性结合曲线；（h）As@Fn和ATO的白血病细胞内吞比较；（i）As@Fn的胞内定位；（j）As@Fn和ATO对于白血病细胞的IC50比较；（k）As@Fn体内靶向白血病细胞分析；（l）As@Fn和ATO的体内分布比较（研究团队供图）
在此基础上，研究团队提出利用CD71配体Fn作为载体靶向递送ATO，以此提高治疗效果并降低副作用。
据介绍，研究过程中，由于Fn内腔直径小于8纳米，空间十分有限，这对小分子ATO的高效装载和可控释放提出了挑战。为解决这一难题，研究团队基于Fn的耐热性能、铁对Fn内腔的亲和性以及砷与铁的相互作用，巧妙设计铁预成核的策略并高效锚定了三价砷（Fn：As=1：200），形成砷基铁蛋白（As@Fn）。
实验显示，静脉注射后，砷基铁蛋白可以借助CD71的识别，靶向富集于白血病细胞，并在胞内酸性溶酶体中选择性释放活性三价砷，高效杀伤白血病细胞。
研究人员认为，这意味着，上述仿生靶向递送策略显著提高了临床砷制剂的耐受剂量，并且将适应症扩展至急性髓系、急性淋系和慢性髓系等多种白血病类型。
同时，研究团队在临床样本和患者来源的异种移植模型上证明，砷基铁蛋白可显著抑制多种白血病的进展，效果显著优于现有的单独ATO和联合化疗策略。
据研究人员介绍，上述成果仍属于临床前研究，实际临床疗效仍有待进一步验证。鉴于Fn为人体内源组分并且ATO为已批准用药，该制剂具有较好临床转化潜力。研究团队正在按照相关要求合作推进后续的研发和转化。
据悉，十余年来，马光辉、魏炜团队发现和创制了一系列药物和疫苗递送新剂型，在动物模型上成功用于肿瘤、传染病、炎症性疾病的防治，并且部分剂型已通过医院伦理批准进入个体化临床前和临床研究。
本论文通讯作者为中科院过程工程所研究员马光辉、北京大学教授马丁北京大学、中科院过程工程所研究员魏炜和珠江医院教授李玉华；第一作者为中科院过程工程所博士研究生王昌龙、北京大学博士章伟和珠江医院副主任医师贺艳杰。
DNA重新定义人类疾病
通常，医生会根据病人的描述和临床症状来诊断各种疾病。但近年来，全基因组关联研究（GWAS）帮助科学家探索了不同疾病的遗传因素。日本大阪大学和美国哈佛医学院等机构研究人员对不同人群的生物样本进行了GWAS，以确定与各种医疗指标和特征相关的特定基因组位点。近日，相关论文刊登于《自然-遗传学》。
虽然，在过去的几十年里，科学家进行了密集的GWAS，但其适用性还不够广泛。例如，大多数GWAS使用欧洲人口数据，而且还缺乏一种系统方法解释这些结果，并将它们置于具体环境中。此次，该研究团队旨在解决这些限制。
为了实现这一目标，该团队使用日本生物库数据进行了GWAS，该生物库包括来自18万人的医疗数据，涉及了220种与健康相关的疾病和特征。研究人员表示，这些数据使该研究非常多样化和全面，特别是在亚洲人群中。
“我们希望扩大GWAS的范围，从这个生物库获得尽可能多的有意义的见解。”该研究的主要作者Saori Sakaue说。
“事实上，我们发现有108种表型在东亚人的GWAS中从未出现过。”该研究的共同第一作者Masahiro Kanai说。
然后，研究人员结合英国生物库和芬兰基因库数据进行了跨人群荟萃分析。该分析涉及62.8万人，鉴定了超过14000个具有表型意义的基因组位点。其中5000个位点是新发现。该团队还在线分享了他们的数据。
“我们认为，让多人访问我们的数据是极其重要的。我们希望促进全球合作，以及确定有意义的后续研究。”论文通讯作者Yukinori Okada说。
由于GWAS结果和疾病遗传学的复杂性，研究小组对汇总的统计数据和其他数据进行了统计去卷积计算。这允许研究人员从庞大的数据集中得出与疾病相关的结论。
“我们能够精确定位特定的遗传变异与不同人群各种疾病相关的共同机制。这些机制反过来有助于通过人类遗传学重新评估疾病。”Sakaue说。
专家认为，这项工作提供了突破性的结果，将有助于研究人员更好地通过遗传学检查人类疾病。
饮用水能从天上来
目前，全球有22亿人无法获得安全的饮用水，干旱人口最多的地区是撒哈拉以南非洲、南亚和拉丁美洲。
10月27日，《自然》发表的一项以虚拟装置为模型的全球评估表明，利用太阳能在大气中集水，或可为约10亿人提供安全饮用水。这项发现有助于为新兴和未来集水技术设计提供参考。
人们认为大气集水装置有助于解决水资源短缺，该类装置有两种工作方式。其中被动集水装置完全依赖天气条件，收集预先凝结的露水或雾汽。主动装置则相反，它们会利用太阳能在夜间湿度较高时采集并凝水，或者连续循环工作，这缩小了装置所需尺寸。但是这些装置的性能及全球潜力尚未得到分析。
美国山景城X Development公司研究人员Jackson Lord、Philipp Schmaelzle、Ashley Thomas和同事，展示了一个评估大气集水装置提供安全饮用水潜力的地理空间工具。该工具体现了全球湿度模式、气温和阳光辐射、基于假设的太阳能集水装置（约有1~2平方米太阳能集热面积）。
结果表明，通过白天持续运行，强烈的阳光和超过30%的湿度事实上可充分配合，平均每天支持产生5升水。如得到广泛部署，这类装置有可能为生活在此类气候条件下的约10亿人提供安全饮用水。作者还以现有装置的潜力比较了这些结果，表明新兴技术有望达成这些目标。
但这些分析聚焦于安全饮水，没有评估其他用途如灌溉、卫生或烹饪等的水。研究人员认为，技术持续发展或可达到他们的预测，并为未来设计提供参考，从而以最大限度提高全球影响。
我国学者发现地球最早的苔藓虫化石
日前，西北大学早期生命研究团队张志飞教授指导的博士研究生张志亮在陕南镇巴县小洋镇小洋剖面灯影组西蒿坪段的碎屑灰岩中，通过酸蚀处理方法，发现了几个毫米级的微体化石。经课题组前期研究，并联合澳大利亚麦考瑞大学教授、西北大学兼职教授格伦·布洛克（Glenn Brock），并与中国科学院南京地质古生物研究所、英国自然历史博物馆、瑞典自然历史博物馆等国内外学者合作研究，认为这些微体化石代表地球已知最早的苔藓动物（苔藓虫）化石。
该研究10月27日以长文形式发表在《自然》杂志。
最早苔藓动物复原图 张志飞团队供图
苔藓动物（Bryozoa）是具有触手冠的真体腔动物，是一类水生群体固着底栖动物，多为海生，连片群居，呈现树枝状，外形酷似苔藓植物，是一种典型的“草根动物”。
寒武纪大爆发是地球上已知最为宏伟的两侧动物生命爆发事件，在距今5.3亿年前的地球海洋中，突然爆发性出现了包括脊椎动物在内的几乎所有的现生动物的早期祖先代表。其中包括了大型的捕食者和各种奇异的动物类型，在寒武纪特异型化石库发现的化石中保存得栩栩如生。但地质历史中非常重要的动物门类—苔藓动物门，在寒武纪却一直缺乏确凿的化石记录。但4.8亿年的奥陶纪之后苔藓虫化石极为丰富，因此，它们也被认为是奥陶纪大辐射的产物。
化石扫描细节 张志飞团队供图
在研究中，张志飞团队在国家自然科学基金的资助下，利用扫描电镜、X射线断层扫描技术分析，发现这些化石呈现双向薄板状网状，背对背两面覆有表皮细胞分泌几丁质虫室。虫室缺乏明显的矿化，纵向5列或7列交替排列，显示有清楚的模块化几何特征，清晰、可辨，两侧对称，整体外形呈圆椎状。化石研究表明两侧动物群落精致的几何分布模式和严格的等级制度起源于5.3亿年前，是寒武纪大爆发重要的生态创新。
经过52个特征、18个类群和2个外群的最大简约法和贝叶斯分支系统学分析研究，表明该化石苔藓动物代表化石和现生苔藓动物的基干类群，为最原始祖先类型。
苔藓动物表面构造示意图 张志飞团队供图
据介绍，此项研究将苔藓动物门的地质历史从奥陶纪前推到寒武纪大爆发早期，将苔藓动物的地质历史前推至少5000万年。研究发现，两侧动物模块化生长和群落分布比想象的要早得多，表明现代苔藓虫可能起源于群居的祖先类型而不是单体生活祖先。寒武纪早期苔藓动物的发现进一步支持了由中国科学院院士舒德干团队所提出的三幕式寒武纪大爆发假说，进一步揭示了寒武纪地球动物树历时四千万年，基础动物、原口动物和后口动物三大动物亚界分阶段、爆发性出现的过程。
“化石在灯影组西蒿坪段泥质灰岩中的发现表明了寒武纪苔藓虫与后期属种相似，适宜在清澈的硬底质环境中生活，从而揭示了泥页岩中保存的特异型化石库中缺乏苔藓动物化石的原因。”张志飞表示，该发现为地球动物树成型和寒武纪生命大爆发提供了新的证据，表明特异型化石的研究并不能完全揭示地史上生命演化的历史过程，还需要其他化石的约束和补充。
监测呼吸可揭示不同睡眠阶段特定代谢模式
睡眠对恢复几乎所有组织和细胞的功能，以及新陈代谢至关重要，而睡眠不足与人类的各种代谢功能障碍有关。通过呼气分析，研究人员能测量人类在一个晚上的睡眠中呼出的代谢物。
10月26日，相关论文刊登于细胞出版社（Cell Press）旗下期刊Cell Reports。
研究人员分析了近2000个代谢物特征，发现个体警觉状态（如清醒、慢波睡眠、快速眼动睡眠）对主要代谢途径的快速、可逆控制。
因此，研究人员表示，除了对日常新陈代谢的调节外，睡眠和觉醒之间存在着一种惊人而复杂的潜在协调性。而且，两者都可能在优化人体机能和健康代谢回路方面发挥重要作用。
科学家揭示哺乳动物“吓一跳”科学机制
中国科学技术大学教授熊伟课题组研究发现，耳蜗核—脑桥尾侧网状核—脊髓运动神经元这条神经环路，对哺乳动物的“吓一跳”反应起到重要作用。这一发现加深了对本能防御行为神经机制的认识，为后续进一步研究人类创伤后应激障碍、恐慌症等疾病中出现的惊跳反射异常行为提供了新的方向。相关研究成果日前发表于《自然—通讯》。
对于包括人在内的所有哺乳动物来说，突然的声音或触觉刺激可以在毫秒时间内诱发机体产生下意识的惊跳反射，也就是我们常说的“吓一跳”。惊跳反射存在于哺乳动物的整个生命周期，它的产生可以将机体多处肌肉收缩反应紧急调动起来，保护容易受伤的部位，如眼睛与后颈部，也为后续进一步的防御反应，如原地冻结、逃跑、躲避等做好准备。惊跳反射的程度可以指征机体的焦虑状态，其异常更是与创伤后应激障碍症、恐慌症等精神类疾病密切相关。尽管惊跳反射是一种重要的本能防御行为，但是控制惊跳反射的基本神经环路尚不清楚。
熊伟课题组研究发现，当声音诱发惊跳反射时，位于哺乳动物脑干的脑桥尾侧网状核的谷氨酸能神经元被大量激活。研究人员使用光遗传及化学遗传手段，发现特异性“激活神经元”可以诱发小鼠出现弹跳表现，颈部及后肢肌肉也能同步记录到肌电活动，这是典型的惊跳反射行为。而特异性“抑制神经元”则可以抑制小鼠产生惊跳反射，并且不会影响运动协调、步态、感知觉等其他行为。
随后，课题组通过病毒示踪的方式，发现谷氨酸能神经元直接接受来自耳蜗核的兴奋性投射，并与脊髓运动神经元之间存在直接突触联系。他们进一步的实验结果表明，谷氨酸能神经元在接受耳蜗核的输入后，直接投射到脊髓运动神经元，最终完成了对颈部及四肢肌肉的控制。
锻炼可以有效地治疗焦虑
近日，瑞典研究人员领导的一项研究显示，中度和剧烈运动都能缓解焦虑症状。相关论文目前发表在《情感障碍杂志》上。
该研究对象是286名焦虑症患者，他们从哥德堡和哈兰县北部的初级保健服务机构被招募，平均年龄为39岁，70%是女性。其中，一半的患者在焦虑中生活了至少10年。
通过抽签，参与者被分配到为期12周的小组运动中，有中度运动也有剧烈运动。结果显示，与对照组相比，他们的焦虑症状明显减轻，即使焦虑是一种慢性疾病。
在12周运动后，治疗组中的大多数人从中度焦虑到高度焦虑的基线水平到低焦虑水平。相对那些运动强度较低的参与者来说，焦虑症状改善的机会增加了3.62倍。
论文第一作者、哥德堡大学萨尔格伦斯卡学院的Malin Henriksson说：“有一个显著的改善趋势——也就是说，他们锻炼得越剧烈，焦虑症状改善得越多。”
以前的研究表明，体育锻炼对抑郁症症状有明显改善。然而，到目前为止，关于焦虑症患者如何受到锻炼的影响，还缺乏一个清晰的图景。目前的研究被认为是迄今为止规模最大的此类研究之一。
研究人员表示，两个治疗组都在物理治疗师的指导下，每周进行3次60分钟的训练。课程包括有氧运动和力量训练。热身之后是45分钟的12站循环训练，最后以伸展运动结束。研究人员定期使用博格量表对运动强度水平进行验证，并通过心率监测仪进行确认。
如今焦虑症的标准治疗方法是认知行为疗法（CBT）和精神药物。然而，这些药物通常有副作用，焦虑症患者往往对药物治疗没有反应。CBT的长时间等待也会使预后恶化。
“初级保健医生需要个体化的治疗，副作用少，而且易于开处方。我们的研究表明，该模式可以包括12周的体育训练。无论强度如何，这代表了一种有效的治疗，应该在初级卫生保健中更经常地为有焦虑症的人提供。”论文通讯作者、哥德堡大学副教授Maria berg说。