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        【人民日報客戶端】“墨子號”首席科學家潘建偉做客《未來中國》,帶觀眾探索量子世界

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        來源:天津大學新聞網 時間:2022-07-15 13:46:21 訪問:954 次
        圖片

        作為世界前沿技術,量子科技將給人類的生活和社會生產帶來怎樣的改變?7月13日晚東方衛視將播出的第七期《未來中國》聚焦量子世界,邀請中國科學院院士、中科院量子信息與量子科技創新研究院院長、中國科學技術大學常務副校長潘建偉,介紹我國量子科技的發展與突破。

        潘建偉院士

        2016年,全球首顆量子科學實驗衛星“墨子號”順利發射,圓滿完成量子密鑰分發等三大科學目標,刷新了我國在量子通信領域研究的國際地位?!澳犹枴绷孔涌茖W實驗衛星的建造與命名,對量子科技研究有何意義?

        2001年,留學深造的潘建偉學成歸國,克服重重困難組建了我國第一個量子實驗室,帶領中國量子夢之隊先后研發“墨子號”量子衛星,“九章號”“祖沖之號”量子計算機,使中國崛起成為國際量子科研版圖上的重要力量。

        對于中國的量子科技發展,潘建偉院士自豪地表示我國不僅在量子通信方面處于領跑階段,而且在量子計算中的“光量子計算”“超導計算”等方面實現了“量子計算優越性”。他認為,科學研究是個持續的過程,做研究也可以從容一點。他表示,通過科普引起大家對科學的興趣是非常重要的。在談及如何學習量子力學時,他認為,量子力學作為很多學科的支柱,小孩應該從小學習;而成年人通過學習量子力學,更多的可以改變處理事情的態度,這個世界并不是黑白分明的,很多事情并不是絕對的。

        人民日報客戶端上海頻道 曹玲娟 2022-07-12

        日常生活中,如果我們感覺疼痛的時候會采取哪些措施來緩解呢?或許有人嘗試過“聽廣播”“聽音樂”等,認為這樣做可以分散注意力,一定程度上達到緩解疼痛的作用。那么這種解釋對嗎?聲音可以鎮痛的原理究竟是什么呢?

        近日,中國科學技術大學生命科學與醫學部張智教授團隊、美國國立衛生研究院劉元淵教授團隊以及安徽醫科大學陶文娟副教授團隊合作在《科學》上發表論文,揭示了聲音鎮痛的關鍵因素及神經機制。那么,聲音是如何影響大腦從而減輕疼痛的?什么樣的聲音在怎樣的前提下能達到效果?中國之聲專訪論文第一作者、中國科學技術大學生命科學與醫學部特任副研究員周文杰博士。

        研究聲音的鎮痛作用有什么意義?

        為什么會研究聲音是如何起到鎮痛作用的?周文杰說,因為這個課題,有趣且實用。有趣之處就在于,它屬于生活中常見的“知其然不知其所以然”?!爸匝芯窟@個課題,主要基于兩個原因。第一是比較貼近我們的生活,我們都知道聲音和音樂可以有效緩解疼痛,這可能也是大自然給我們的饋贈。但是為什么會有效呢?大家有時候反而講不清楚,所以我覺得當時也是一個好奇心驅使,從而選擇了開始這個課題研究。第二是目前臨床上用的止痛藥雖然有效,但長期的藥物使用也會無可避免地帶來一些副作用,并且對長期的慢性疼痛效果也有限,而使用音樂鎮痛基本上是沒有什么副作用的,同時也易獲取,因此我希望通過我們的研究,促進臨床采用音樂作為輔助治療手段緩解疼痛,包括降低手術后慢性疼痛的發生率,所以我就選擇堅持把這個課題深入做下去?!?/p>

        事實上,早在1960年,《科學》雜志就發表過一篇論文,發現在牙科手術過程中,音樂能夠調控病人情緒,并且指出甚至是噪音,例如手術電鉆的聲音,也能夠產生鎮痛效果。然而,半個多世紀以來,聲音可以減輕疼痛的關鍵因素,以及聲音如何影響我們的大腦從而減輕疼痛的神經機制,尚不清楚。而通常意義上的解釋,包括分散注意力、降低焦慮情緒,也缺少明確的神經學機制證據。

        周文杰告訴記者,此前,相關的研究大都通過人來進行,這在一定程度上限制了操作方法的選擇和使用,而通過小鼠來進行系統深入研究并有所發現尚屬首次?!斑@篇論文屬于是第一次在小鼠層面去深入解析。因為使用小鼠,我們可以進行各種條件和大腦手術操作的嘗試,比如給予小鼠不同類型的聲音刺激,以及在小鼠腦袋里插入內窺鏡,就可以直觀地看到小鼠在聽音樂的時候它腦袋里面到底發生了什么樣的變化,這些在人身上是沒有辦法做到的?!?/p>

        治療的聲音比環境聲高出5分貝就有鎮痛效果

        那么,什么樣的聲音能有效緩解疼痛呢?研究人員首先給爪子發炎的小鼠播放3種不同類型的聲音,分別是舒緩的音樂,人為拼接編排的不悅耳的音樂以及白噪音,結果周文杰和同事們發現:“對于小鼠來講,它實際上是區分不出來這三種類型的聲音旋律,對它來講可能都是一樣的,都是噪音,這樣我們就可以得出來一個結論,就是人類的音樂旋律或者節拍對于老鼠可能是沒有作用的,小鼠可能對聽到的聲音的強度更敏感?!?/p>

        原來對小鼠而言,決定聲音鎮痛作用的重要因素竟然不是聲音的旋律或者悅耳程度,而是音量大小。這個聲強又該如何把握呢?從研究結果來看,與身處45分貝環境聲中的小鼠相比,50分貝的聲音可以提高小鼠對后爪疼痛的忍耐閾值,而60分貝的聲音效果不佳。周文杰解釋,具體來講就是,治療的聲音比環境聲高出5分貝就有鎮痛效果?!斑@個是我們首次發現的,之前沒有報道過的研究數據,高于環境音的5db的聲音有多強?類似于兩個人竊竊私語的聲音?!?/p>

        為什么是5分貝的聲強差?周文杰解釋,過大的音量會讓小鼠感到不適甚至受到驚嚇,發生逃避行為。因此,研究人員在實驗過程中也選擇了50或60分貝的聲音,并用特定的設備檢測小鼠對聲音的反應。

        周文杰說:“對于動物(小鼠)來講,如果聽到的聲音特別高,它可能會感到害怕,就像人聽到打雷的聲音也可能會害怕。只有聽到比較舒緩的低強度聲音的時候才有效果,太高了就沒有這個效果,這是我們首次發現的一個現象?!?/p>

        低強度聲音降低軀體感覺丘腦活性,進而緩解疼痛

        既然如此,聲音發揮鎮痛作用的神經機制到底是什么呢?在解釋這個問題之前,我們需要先了解兩個關鍵詞,第一個是,聽皮層。周文杰解釋,聽皮層是聲音處理的最高級大腦中樞?!拔覀兟牭降穆曇羰菑亩渎牭降?,這些聲音信號從耳朵會進入大腦,我們要對這個聲音信號進行分析,比如它是什么類型的聲音,在哪個地方,有多強,這些信號的分析就是在聽皮層里完成的?!?/p>

        第二個關鍵詞是,軀體感覺丘腦。周文杰說,這里負責接收來自身體的感覺信號,包括疼痛?!疤弁吹男盘査菑奈覀兺庵馨ㄋ闹蛘咂渌胤?,往上傳遞經過軀體感覺丘腦,因此軀體感覺丘腦被稱為痛覺信號傳遞的中繼站,是疼痛感知的大腦中樞?!?/p>

        研究結果表明,低強度的聲音通過抑制聽皮層到軀體感覺丘腦的神經投射,降低軀體感覺丘腦的活性,進而起到緩解疼痛的作用。也就是說,低強度的聲音導致傳遞疼痛的信號沒那么強,我們自然也就感覺不到更多的疼痛,起到了鎮痛作用。那么細心的朋友可能又要問了,既然接受疼痛信號是在軀體感覺丘腦,為什么聲音抑制疼痛作用是在聽皮層,而不是聽覺丘腦?周文杰也為我們解答了這個問題,丘腦就好像一個中繼站它會傳遞各種信號,除嗅覺外,來自全身各種感覺的傳導通路都在丘腦內匯集和處理,再投送到大腦皮層,大腦皮層才對感覺進行精細的分析與綜合。丘腦內部,聽覺處理的腦區和軀體感覺處理的腦區并沒有通路聯系,所以聲音無法起到作用。

        周文杰說:“很有意思的是我們發現它們(聽覺丘腦、軀體感覺丘腦)在腦袋里面沒有形成聯系。我們以為在丘腦內部它們可能已經聯系到一起,但是我們做實驗的時候發現,它們內部實際上沒有形成聯系,只有從聽皮層過來的,它才與軀體感覺丘腦形成聯系。這是一個很有意思的現象?!?/p>

        通過小鼠實驗,搞清楚了聲音可以鎮痛的基礎神經學機制后,這對于人類將有怎樣的意義呢?針對此項研究,《科學》雜志做了專文評述,“通過創建一個研究機制基礎的模型,為音樂/聲音引起鎮痛的研究開辟了新的方向”。周文杰說,除聲音強度外,聲音的旋律,對人類感知疼痛的作用值得進一步研究?!跋Mㄟ^我們的研究給臨床一些提示,讓他們嘗試用一些音樂作為輔助治療的手段,用于緩解患者的疼痛或者焦慮情緒。但是音樂該怎么用效果會更好,我們需要再進一步探索?!?/p>

        (總臺記者 孫魯晉 王利)

        中國之聲 2022-07-13

        日前,中國科學技術大學潘建偉及其同事彭承志、陸朝陽、曹原應邀在國際物理學權威綜述期刊《現代物理評論》上發表題為“基于‘墨子號’衛星的空間量子實驗”長篇綜述論文。

        論文全面介紹了國際空間量子科學研究近二十年來取得的成就,重點闡述了“墨子號”量子科學實驗衛星從前期關鍵技術攻關,包括衛星系統、科學應用系統等六大系統的量子科學實驗衛星的建設和研制,到衛星在軌運行后所取得的系統性科研成果,為國際學術界提供了寶貴的資料。

        未來量子星座藍圖 課題組供圖

        論文從量子信息理論的基本概念、早期量子通信和量子信息相關原理性實驗、面向衛星的地面大空間尺度驗證實驗,以及“墨子號”衛星從立項、研制、在軌運行到最終在國際上率先完成一系列星地量子科學實驗,進行了系統性的闡述和總結。

        同時,綜述論文還對國際空間量子科學的研究進展進行了梳理?!澳犹枴钡某晒盍藝H空間量子科學的研究熱潮,美國、歐盟、日本等國際上的各方力量隨后皆開始探索自己的廣域量子通信之路,提出或加速了一系列空間量子科學布局。

        綜述論文的最后,對未來空間量子科學的主要發展方向進行了展望,提出空間量子科學研究必將從低軌道平臺跨越到中高軌平臺,甚至是深空平臺。在此基礎上,利用中高軌衛星平臺覆蓋范圍廣、實驗時間長、微重力環境好等優勢,將空間量子通信技術同時交叉應用于遠距離高精度時頻傳遞和空間超冷原子物理等領域,在量子精密測量、量子物理與廣義相對論融合等基礎科學問題方面獲得更豐富的科學產出。

        據悉,由于在遠距離量子通信特別是“墨子號”量子衛星方面所取得的一系列具有開創性意義的工作,潘建偉等受邀為《現代物理評論》撰寫的這篇46頁的綜述論文。

        《現代物理評論》是國際物理學界最權威的綜述性期刊,每年僅發表約四十篇學術論文。該期刊一般不接受自由投稿,主要是邀請在各領域卓有建樹的物理學家執筆,旨在對當今物理研究的重大熱點問題做歷史總結、原理闡述、現狀分析和趨向預測。此論文是潘建偉團隊在該期刊上繼2012年的“多光子糾纏和干涉度量學”以及2020年的“基于現實器件的安全量子密鑰分發”之后,發表的第三篇綜述論文。

        相關論文鏈接:

        作者:王敏

        來源:中國科學報 發布時間:2022/7/13

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