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快速光子控制使量子光學技術更接近現實

only-perception
・2012/02/19 ・1066字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 575 ・九年級

利用光子而非電子來傳輸資訊,除其他優勢外,還導致更快速與更安全的通訊方法。現在一個物理學家團隊在實現量子光學技術上向前跨出了另一步:他們證明如何快速操作波長與現有光學電信網路一樣的單光子。能在幾奈秒內控制一個光子的路徑與偏振,使光學迴路能與現有的光學電信網路整合,導致明顯的改善。

這些物理學家,來自英國 Bristol,Bristol 大學、英國愛丁堡,Heriot-Watt 大學,以及位於荷蘭 Delft 的 Kavli Institute of Nanoscience,已將他們快速控制單光子之路徑與偏振的研究發表在最近一期的 Physical Review Letters 中。

這些物理學家在一種由迴路(單光子透過它移動)所組成的量子光學裝置上進行研究,在此,這些迴路可重新配置以改變光子的路徑與偏振。這些量子光學迴路的挑戰之一是,在很快的速率下操縱單光子與多光子的狀態。

為了對付這種挑戰,研究者使用被證實在當前電信調變器中具,有迅速操作能力的鈮酸鋰(lithium niobate)波導。利用電光效應(electro-optic effect)的優勢,研究者證明,在波導附近的電極施加一電壓可快速操作光(由 1 或 2 個光子構成)的量子態。他們利用在 1550 nm 波長下(那用在電信網路中)產生的光子對,完成快速路徑與偏振控制的證明。

“在此實驗中,我們證明在二種迴路配置間的交換(switching,切換),每一種都會導致不一樣的量子態,” 第一作者,Bristol 大學的 Damien Bonneau 榜示。”重新配置速率被設定在 4 MHz,而先前的實驗則是每隔數秒才完成線路重配置。” 交換所使用的技術基本上與日常電信網路中所使用的技術相同,那用以交換被編碼在 40 GHz 光脈衝中的資訊位元。原則上,像這樣的交換也能在單光子的層次上使用。”

如同 Bonneau 的解釋,鈮酸鋰波導操縱光之量子態的能力提供了一種截然不同的方法,較先前方式快了許多。

“直到目前為止,on-chip 的光量子態操作依賴作用如同緩慢相轉移器(slow phase shifters)的加熱器,” Bonneau 表示。”我們在此證明,藉由利用建構網際網路的其中一種技術,我們不僅能交換光封包以路由古典資訊,還可以快速改造與操縱光的量子態。”

如這些科學家的解釋,能在單一平台上快速控制單光子的偏振與路徑,對於基礎量子科學以及量子技術來說都將十分有用。他們計畫未來將他們的研究朝這些應用當中的幾個擴展。

“鈮酸鋰,製造出這些裝置的材料,也能用來隨機產生光子,” Bonneau 表示。”超導單光子偵測器也能被整合到像這樣的晶片上。一個技術性平台,結合了隨機的單光子源、迴路與偵測器,能為數種應用開路,包括可靠的單光子源(藉由數個來源的多工,multiplexing),量子中繼器(quantum relays,為長距離量子通訊所需),或量子金鑰散佈(為量子加密所需)。”

資料來源:PHYSORG:Fast photon control brings quantum photonic technologies closer[February 13, 2012]

轉載自only-perception

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only-perception
153 篇文章 ・ 1 位粉絲
妳/你好,我是來自火星的火星人,畢業於火星人理工大學(不是地球上的 MIT,請勿混淆 :p),名字裡有條魚,雖然跟魚一點關係也沒有,不過沒有關係,反正妳/你只要知道我不是地球人就行了... :D


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揭開人體的基因密碼!——「基因定序」是實現精準醫療的關鍵工具

科技魅癮_96
・2021/11/16 ・1998字 ・閱讀時間約 4 分鐘

為什麼有些人吃不胖,有些人沒抽菸卻得肺癌,有些人只是吃個感冒藥就全身皮膚紅腫發癢?這一切都跟我們的基因有關!無論是想探究生命的起源、物種間的差異,乃至於罹患疾病、用藥的風險,都必須從了解基因密碼著手,而揭開基因密碼的關鍵工具就是「基因定序」技術。

揭開基因密碼的關鍵工具就是「基因定序」技術。圖/科技魅癮提供

基因定序對人類生命健康的意義

在歷史上,DNA 解碼從 1953 年的華生(James Watson)與克里克(Francis Crick)兩位科學家確立 DNA 的雙螺旋結構,闡述 DNA 是以 4 個鹼基(A、T、C、G)的配對方式來傳遞遺傳訊息,並逐步發展出許多新的研究工具;1990 年,美國政府推動人類基因體計畫,接著英國、日本、法國、德國、中國、印度等陸續加入,到了 2003 年,人體基因體密碼全數解碼完成,不僅是人類探索生命的重大里程碑,也成為推動醫學、生命科學領域大躍進的關鍵。原本這項計畫預計在 2005 年才能完成,卻因為基因定序技術的突飛猛進,使得科學家得以提前完成這項壯舉。

提到基因定序技術的發展,早期科學家只能測量 DNA 跟 RNA 的結構單位,但無法排序;直到 1977 年,科學家桑格(Frederick Sanger)發明了第一代的基因定序技術,以生物化學的方式,讓 DNA 形成不同長度的片段,以判讀測量物的基因序列,成為日後定序技術的基礎。為了因應更快速、資料量更大的基因定序需求,出現了次世代定序技術(NGS),將 DNA 打成碎片,並擴增碎片到可偵測的濃度,再透過電腦大量讀取資料並拼裝序列。不僅更快速,且成本更低,讓科學家得以在短時間內讀取數百萬個鹼基對,解碼許多物種的基因序列、追蹤病毒的變化行蹤,也能用於疾病的檢測、預防及個人化醫療等等。

在疾病檢測方面,儘管目前 NGS 並不能找出全部遺傳性疾病的原因,但對於改善個體健康仍有積極的意義,例如:若透過基因檢測,得知將來罹患糖尿病機率比別人高,就可以透過健康諮詢,改變飲食習慣、生活型態等,降低發病機率。又如癌症基因檢測,可分為遺傳性的癌症檢測及癌症組織檢測:前者可偵測是否有單一基因的變異,導致罹癌風險增加;後者則針對是否有藥物易感性的基因變異,做為臨床用藥的參考,也是目前精準醫療的重要應用項目之一。再者,基因檢測後續的生物資訊分析,包含基因序列的註解、變異位點的篩選及人工智慧評估變異點與疾病之間的關聯性等,對臨床醫療工作都有極大的助益。

基因定序有助於精準醫療的實現。圖/科技魅癮提供

建立屬於臺灣華人的基因庫

每個人的基因背景都不同,而不同族群之間更存在著基因差異,使得歐美國家基因庫的資料,幾乎不能直接應用於亞洲人身上,這也是我國自 2012 年發起「臺灣人體生物資料庫」(Taiwan biobank),希望建立臺灣人乃至亞洲人的基因資料庫的主因。而 2018 年起,中央研究院與全臺各大醫院共同發起的「臺灣精準醫療計畫」(TPMI),希望建立臺灣華人專屬的基因數據庫,促進臺灣民眾常見疾病的研究,並開發專屬華人的基因型鑑定晶片,促進我國精準醫療及生醫產業的發展。

目前招募了 20 萬名臺灣人,這些民眾在入組時沒有被診斷為癌症患者,超過 99% 是來自中國不同省分的漢族移民人口,其中少數是臺灣原住民。這是東亞血統個體最大且可公開獲得的遺傳數據庫,其中,漢族的全部遺傳變異中,有 21.2% 的人攜帶遺傳疾病的隱性基因;3.1% 的人有癌症易感基因,比一般人罹癌風險更高;87.3% 的人有藥物過敏的基因標誌。這些訊息對臨床診斷與治療都相當具實用性,例如:若患者具有某些藥物不良反應的特殊基因型,醫生在開藥時就能使用替代藥物,避免病人服藥後產生嚴重的不良反應。

基因時代大挑戰:個資保護與遺傳諮詢

雖然高科技與大數據分析的應用在生醫領域相當熱門,但有醫師對於研究結果能否運用在臨床上,存在著道德倫理的考量,例如:研究用途的資料是否能放在病歷中?個人資料是否受到法規保護?而且技術上各醫院之間的資料如何串流?這些都需要資通訊科技(ICT)產業的協助,而醫師本身相關知識的訓練也需與時俱進。對醫院端而言,建議患者做基因檢測是因為出現症狀,希望找到原因,但是如何解釋以及病歷上如何註解,則是另一項重要議題。

從人性觀點來看,在技術更迭演進的同時,對於受測者及其家人的心理支持及社會資源是否相應產生?回到了解病因的初衷,在知道自己體內可能有遺傳疾病的基因變異時,家庭成員之間的情感衝擊如何解決、是否有對應的治療方式等,都是值得深思的議題,也是目前遺傳諮詢門診中會詳細解說的部分。科技的初衷是為了讓人類的生活變得更好,因此,基因檢測如何搭配專業的遺傳諮詢系統,以及法規如何在科學發展與個資保護之間取得平衡,將是下一個基因時代的挑戰。

更多內容,請見「科技魅癮」:https://charmingscitech.pse.is/3q66cw

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科技魅癮_96
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《科技魅癮》的前身為1973年初登場的《科學發展》月刊,每期都精選1個國際關注的科技議題,邀請1位國內資深學者擔任客座編輯,並訪談多位來自相關領域的科研菁英,探討該領域在臺灣及全球的研發現況及未來發展,盼可藉此增進國內研發能量。 擋不住的魅力,戒不了的讀癮,盡在《科技魅癮》