上海交大宋萍课题组在JACS发表智能核酸探针选择性擦除方法用于DNA数据存储 作者: settle 时间: 2024-12-18 分类: 转载 评论 近日，上海交通大学生物医学工程学院宋萍团队在Journal of the American Chemical Society期刊上发表题为“Random Sanitization in DNA information storage using CRISPR-Cas12a”的最新研究。该研究开发了一种智能核酸探针杂交精准调控与CRISPR-Cas12a反式切割活性的选择性永久擦除方法（RSDISC），可用于实现存储信息的加密与保护，并在包括三字经、道德经、孙子兵法、I have a dream、上海交通大学庙门图片等多模态DNA存储近三万条序列上得到验证。 随着互联网、人工智能及其他信息技术的飞速发展，全球数据量预计将在2025年达到175 ZB。如何实现高效的大数据存储已成为亟待解决的瓶颈问题。DNA数据存储作为一种新兴的存储技术，凭借其超高的存储密度、安全性及长期稳定性，被广泛认为是应对大数据存储需求的理想方案。然而，尽管DNA存储展现出巨大潜力，当前在数据安全方面仍面临诸多挑战。特别是在大数据存储中，如何设计高度安全的加密系统以保护敏感信息，及如何实现数据的永久删除，依然是亟待攻克的难题。 上海交通大学宋萍课题组构建了一种基于Cas12a反式切割活性和引物-模板智能核酸选择性杂交的方法实现了在DNA存储中高灵敏、高特异性地永久擦除目标信息（图1）。该方法通过智能核酸杂交设计及调控，构建目标文件对应的反向引物选择性杂交并扩增为双链，从而实现对目标文件的保护；同时，激活的Cas12a复合物切割未被保护的单链DNA，实现数据的精确擦除。通过进一步优化核酸杂交热力学和Cas12a切割活性的条件，研究者在由28,258条寡核苷酸组成的包括图片和文字在内的多模态DNA存储体系中验证了该方法具有高达99.9%的擦除效率和99.5%的特异性。该方法不仅可用于保护敏感数据，还能在大数据存储过程中实现内存清理、文件分类，并提高测序准确性，并可拓展在分子诊断等领域的广泛应用。  图1 选择性擦除方法（RSDISC）的工作流程图 研究者首先在单重体系中验证了该方法的可行性（图2）。通过设计两种Cas12a激活体系以评估其对单一模板的切割效率，并进一步分析了这两种体系在不同GC含量、长度和复杂二级结构修饰的单链DNA上的表现。实验结果表明，该方法能够高效切割多种类型的单链DNA，切割效率最高可达99%。随后，通过将该方法应用于具有模板相互作用的复杂多重体系，发现所有模板的切割效率均超过90%（图3）。此外，为评估RSDISC技术在大规模数据清理中的应用潜力，基于热力学杂交原理的模拟结果表明该方法能擦除高达158亿个文件，相当于10 PB的数据量。  图2 单重体系中RSDISC方法的切割效果  图3 多重体系中RSDISC方法选择性切割的效果 为了验证RSDISC方法在实际存储体系中的效果，作者进一步编码并存储包括三字经、孙子兵法、道德经、上海交通大学庙门图片、蒙娜丽莎等在内的七个文件于近三万条DNA序列中。实验结果表明，RSDISC方法的寡核苷酸擦除效率高达99.9%，擦除特异性为99.5%（图4），有效证明了该方法在高效擦除非目标文件信息的同时，几乎不会影响靶向保留的信息。这项工作为DNA存储提供了高效可靠的信息加密方案，未来将在大规模数据存储和提升数据处理效率方面发挥重要作用。  图4 实际存储体系中选择性擦除文件的效果 上海交通大学生物医学工程学院博士研究生沈虹雨是该论文的第一作者，宋萍副教授为通讯作者。本工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、中央高校基本科研业务费、上海市教育委员会“青年领军人才培养计划”项目等的资助。 论文连接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.4c11380
20241215双代会 作者: settle 时间: 2024-12-16 分类: 原创 评论 
中国科大实现基于马约拉纳零模的琼斯多项式计算 作者: settle 时间: 2024-12-15 分类: 转载 评论 我校郭光灿院士团队在拓扑量子计算领域取得重要进展。该团队李传锋、许金时、韩永建、孙凯等人与英国利兹大学Jiannis Pachos教授合作，利用自主搭建的光量子模拟器计算了基于马约拉纳零模拓扑结构的琼斯多项式。研究团队通过模拟马约拉纳零模的编织操作，计算了不同拓扑结构的扭结对应的琼斯多项式，所得的琼斯值可以实现对不同扭结结构的区分。该成果12月5日发表在《物理评论快报》上。 琼斯多项式是扭结的一个重要拓扑不变量，它可以被用来区分不同的扭结结构。同时，复杂拓扑结构的琼斯多项式计算是一个#P-hard问题，使用经典算法难以求解。不过，利用马约拉纳零模这一非阿贝尔任意子系统，可以通过构建相应的编织操作来计算扭结的琼斯多项式。不同于三维空间中交换两个全同的玻色子或费米子，系统整体波函数仅会多出一个整体相位；对于二维空间中具有特殊性质的“非阿贝尔任意子”，其交换后的整体波函数会经历一个幺正变换，因此，可以通过对非阿贝尔任意子的交换操作构造量子门，实现具有天然容错特性的拓扑量子计算。已有大量的实验工作研究了马约拉纳零模的物理特性，但由于实验材料及技术的要求极高，通过编织马约拉纳零模实现特定的拓扑量子算法，仍然极具挑战性。  图1.理论框架。（a）编织操作与不同拓扑扭结的对应；（b）三条Kitaev链模型下马约拉纳零模的编织交换示意图。  图2.实现马约拉纳零模交换操作的实验装置图。  图3.不同编织操作的琼斯多项式实验结果。 基于光子空间模式的量子模拟器，研究组开展了一系列模拟非阿贝尔任意子拓扑特性的实验研究，先后模拟了单个Kitaev链马约拉纳零模的交换操作[Nat. Commun. 7, 13194 (2016)]、探测了两条Kitaev链模型下马约拉纳零模的非阿贝尔几何相位[Sci. Adv. 4, eaat6533 (2018)]以及进一步推广到高维情形——仲费米子零模，研究了其编织过程对局域噪声免疫、并且保持了量子互文资源守恒[PRX Quantum 2, 030323 (2021)]。在这些工作的基础上，研究组将之前基于单光子空间模式的编码方式扩展到双光子的空间模式，利用双光子的符合计数进行编码，有效提高了可编码量子态的数量。同时，通过引入基于Sagnac干涉仪的量子冷却装置，将之前工作中的耗散式演化成功转换为非耗散演化，提升了装置对光子资源的回收利用能力，有助于实现多步骤的量子演化操作。这些改进的实验技术极大地提升了自主研制光量子模拟器的能力，为实验模拟三条Kitaev链模型下马约拉纳零模的编织操作奠定了坚实的技术基础。实验中，量子态与编织交换过程的平均保真度均在97%以上。研究组通过组合三条Kitaev链模型下马约拉纳零模不同的编织操作，模拟了五种典型的拓扑扭结，通过将扭结对应的量子末态向初始量子态投影，得到了扭结对应的琼斯多项式的数值解，进一步将不同扭结进行区分。这对于拓扑扭结频繁出现的研究领域，如统计物理、化学分子合成以及DNA复制等均具有重要启示意义。 中国科学院量子信息重点实验室博士研究生李家坤为该论文的第一作者。该工作得到了合肥国家实验室、国家自然科学基金委、安徽省以及中国科学院的资助。 论文链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.230603
深圳国际研究生院常瑞华团队在光通信高速互连技术领域取得新进展 作者: settle 时间: 2024-12-15 分类: 转载 评论 人工智能大模型的基础设施建设迫切需要单通道100Gbps及更高传输速率的数据互联技术。传统的多模VCSEL+多模光纤技术，凭借低功耗和高性价比，已广泛应用于数据中心和智算中心的短距离光互连，但其受限于激光器的色度色散和光纤中的模式色散，该方案存在信道的速率和传输距离的瓶颈问题。相比之下，单横模VCSEL与单模光纤的组合可以从根本上解决传输瓶颈问题，是更高效且更具成本优势的传输方案。 近日，清华大学深圳国际研究生院和深圳博升光电科技有限公司常瑞华院士团队提出了一种基于啁啾高对比度超结构（chirped HCM）的单横模VCSEL设计。该设计提出chirped HCM作为VCSEL的顶部反射镜（图1），通过在chirped HCM反射镜中引入了横向渐变的反射率，使其能够与激光的基模强度分布更好地匹配，从而有效抑制高阶模式，最终实现高质量、稳定的单横模激光输出。这一设计与传统多层分布式布拉格反射镜（DBR）相比，不仅具备优异性能，而且简化了制造工艺，非常适合量产。</pre> <p><img alt="D5151D8CD604E75EE6EDCFF87DD_5ACFA4C0_25993.jpg" src="http://img.cnphp.com/usr/uploads/2024/12/617882005.jpg" /></p> 图1.基于啁啾高对比度超结构（chirped HCM）的单模VCSEL 研究团队对加工完成的 chirped HCM VCSEL结构进行了深入的结构分析（图2）。芯片的扫描电镜（SEM）图像验证了设计的可行性和工艺的均匀稳定性。该技术后续将导入批量生产。 <p><img alt="1C25B85161BD29D1E1378478AA2_01A10BF3_3FF2F.png" src="http://img.cnphp.com/usr/uploads/2024/12/681249293.png" /></p> <p>图2.Chirped HCM VCSEL芯片的扫描电镜（SEM）图像</p> <p>研究团队研发的单模VCSEL在不同温度和电流条件下展现出优异的功率输出特性和光谱稳定性（图3）。测试结果表明，该VCSEL在25°C、50°C和75°C的温度范围内能够保持稳定的输出功率，同时在光束模式方面表现出良好的模式控制能力。进一步测试显示，在2-8mA电流范围和5-75°C的工作温度下，其边模抑制比（SMSR）始终高于40dB，充分体现了其在模式选择性和稳定性方面的显著优势。这些特性使其能够满足短距离高速光互连应用对输出稳定性的严格要求。</p> <p><img alt="C115473871332126AE07D7BD345_549B17F6_270CF.png" src="http://img.cnphp.com/usr/uploads/2024/12/1711665366.png" /></p> <p>图3.Chirped HCM VCSEL的功率输出和光谱稳定性测试</p> <p>此外，团队对该VCSEL的频率响应、相对强度噪声（RIN）以及高速眼图进行了全面测试和分析（图4）。测试结果显示，该VCSEL在高频范围内保持优异的频率响应特性，能够稳定支持高速数据传输。特别是在最大工作电流（8 mA）条件下，VCSEL的RIN低至-144 dB/Hz，展现了卓越的低噪声性能和传输稳定性。在53Gbps和106Gbps PAM4高速传输测试中，眼图轮廓清晰，完全符合IEEE 802.3db™-2022标准，充分验证了其在高数据速率下的信号完整性和低噪声特性。这些测试结果表明，该设计在数据中心和超算系统短距离光互连中具有广泛应用的潜力。</p> <p><img alt="67B95EE4C0960E1929230A882C7_B6017CDF_4E470.png" src="http://img.cnphp.com/usr/uploads/2024/12/3066209042.png" /></p> <p>相关研究成果以“单模啁啾高对比度超构垂直腔面发射激光器，速率达每秒106吉比特的四电平脉冲幅度调制”（Single-Mode Chirped High-Contrast Metastructure VCSEL for 106 Gbps PAM4 Transmission）为题，发表于《光学》（<em>Optica</em>）杂志，并被选为2024年11月的封面，体现了国际学术界对这一技术在短距离高速光通信领域创新价值的认可。</p> <p>清华大学深圳国际研究生院2021级博士生崔尧为论文第一作者，常瑞华院士为通讯作者。研究得到深圳市科技计划、深港科技创新合作区项目以及广东省重点人才引进项目的资助。</p> <p>论文链接:</p> <p><a href="https://doi.org/10.1364/OPTICA.539252">https://doi.org/10.1364/OPTICA.539252</a></p>