톱10 하이라이트

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초전도 큐비트(Qubit)에서 광학 광자(Optical photon)로의 변환

Nature 588 (2020년12월24일)

광섬유로 연결된 컴퓨터가 광-전기 신호 변환을 필요로 하는 것처럼 마이크로파 주파수에서 작동하는 양자 컴퓨터로 양자 네트워크를 구축하려면 마이크로파-광 변환이 필요하다. 신호의 양자 결맞음(Quantum coherence)을 유지하면서 이러한 변환을 효율적으로 수행하는 것은 매우 어려운 일이다. Mohammad Mirhosseini 등은 초전도 큐비트(Qubit)의 단일 마이크로파 여기(Excitation)를 광학 광자(Optical photon)로 변환하기 위한 칩 스케일(Chip-scale) 플랫폼을 발표하였다. 초전도 큐비트의 라비 진동(Rabi oscillation)은 광학 단일 광자 검출을 통해 해결할 수 있으며, 이는 변환이 양자 수준 신호를 변환할 수 있음을 보여준다. 그러나 단일 양자 상태를 단일 양자 상태로 매핑(Mapping)하는 완전한 양자 변환은 아직 달성해야 하는 과제이다.

Article doi: 10.1038/s41586-020-3038-6

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학습 모델을 이용한 계획 방법으로 아타리(Atari), 바둑, 체스 및 장기 마스터

Nature 588 (2020년12월24일)

체커, 체스, 바둑 및 포커와 같은 고전 게임에서 인간 세계 챔피언을 물리친 인공 지능 알고리즘은 트리 기반 계획 방법(Tree-based planning methods)을 이용하였다. 특정 영역에서 좋은 성과를 내면서, 계획 알고리즘은 게임 규칙과 같은 환경 역학(Environment’s dynamics)에 대한 지식에 의존하여 일반적으로 역학이 알려지지 않은 로봇 공학 또는 인공 지능형 비서와 같은 실제 영역에 직접 적용되는 것을 방지하고 있다. David Silver와 연구진들은 이제 트리 기반 검색과 학습된 모델을 결합한 모델 기반 강화 학습(Reinforcement-learning) 알고리즘인 MuZero를 발표하였다.이 알고리즘은 근본적인 역학에 대한 지식 없이도 까다롭고 시각적으로 복잡한 다양한 영역에서 사람을 뛰어넘는 성능을 발휘한다.

Article doi: 10.1038/s41586-020-03051-4

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광자 애벌런치(Photon avalanche)

Nature 589 (2021년1월14일)

광자 애벌런치(Photon avalanching)는 물질이 임계 강도 이상으로 빛을 방출할 때 불균형적으로 많은 수의 광자(‘애벌런치(Avalanche)')를 방출하는 비선형적 광학 효과이다, 지금까지 이 현상은 벌크(Bulk) 물질과 집합체에서만 관찰되었다. 이번 주 호에서 James Schuck과 연구진들은 툴륨(Thulium) 이온으로 도핑 된 나노결정(Nanocrystal)이 개별적으로 광자 애벌런치를 일으킬 수 있음을 보여주었다. 연구진들은 단일 빔, 초고해상도 이미징에서 나노결정을 사용하여 70 나노미터 미만의 공간 해상도(Spatial resolution)를 달성하였다. 연구진들은 애벌런치 나노입자가 서브 파장(Sub-wavelength) 이미징, 광학 및 환경 감지, 뉴로모픽(Neuromorphic) 컴퓨팅에서 응용될 수 있을 것으로 보인다고 발표하였다. 표지 이미지: Mikołaj Łukaszewicz.

Article doi: 10.1038/s41586-020-03092-9

News & Views doi: 10.1038/d41586-020-03659-6

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선형 체적(Linear volumetric) 3D 프린팅을 위한 Xolography

Nature 588 (2020년12월24일)

3D 프린팅은 신발에서 항공 우주 부품 및 인공 장기에 이르기까지 다양한 물체를 생산하는 데 점점 더 널리 사용되고 있다. 제조 공정을 구동하기 위해 빛을 사용하는 것은 높은 공간-시간 제어를 허용하기 때문에 매우 성공적으로 이용되었다. 3D 프린팅의 기능을 더욱 발전시키기 위해 레이어 별(Layer-to layer) 인쇄에서 실제 체적 프린팅(True volumetric printing)으로 방향을 바꾸는데 집중하고 있다. Stefan Hecht와 연구진들은 광 전환이 가능한 광개시제(Photoinitiator)와 교차 광선이 제한된 부피 내에서 중합을 유도하는 기술인 Xolography를 소개하였다. 이것은 3D 프린팅을 통해 효과적으로 생산될 수 있는 물체의 범위를 더욱 확장해야 하는 현재의 최첨단 체적 프린팅 방법보다 더 높은 해상도와 더 빠른 인쇄 속도로 원하는 3D 물체를 생성할 수 있다.

Article doi: 10.1038/s41586-020-3029-7

News & Views doi: 10.1038/d41586-020-03543-3

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치료 전략을 알려주는 SARS-CoV-2 중화 항체 구조

Nature 588 (2020년12월24일)

Pamela Bjorkman과 연구진들은 SARS-CoV-2 스파이크(Spike) RBD (Receptor-binding domain)을 표적으로 하는 사람 중화 항체의 8가지 새로운 구조를 발표하였다. 저자들은 RBD가 'Up' 형태이어야 하는지 여부와 ACE2 결합 표면과 겹치는지 여부에 따라 구조를 3가지 범주로 분류하였다. 항체 중 하나는 'Down' 형태로 RBD를 잠그고, 그 항원 결정기(Epitope)는 'Down' 형태의 인접한 두 RBD의 잔기(Residue)를 포함한다. 막 융합을 유도하는 스파이크 활성화 메커니즘이 아직까지 알려지지 않았기 때문에 이와 같은 항체는 다른 것보다 임상 사용에 더 바람직할 수 있으며, 이는 RBD를 유지함으로써 ACE2에 의한 활성화 효과를 모방하고 경우에 따라서는 더 심각한 질병을 유발할 수도 있다.

Article doi: 10.1038/s41586-020-2852-1

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1년 동안의 10개의 이야기

Nature 588 (2020년12월24일)

힘들고 어려웠던 한 해가 끝나감에 따라, Nature 10의 관점에서 지난 12개월동안 2020년에 과학을 발전시키는데 기여한 10인을 되돌아보았다. 표지 이미지는 올해의 가장 큰 화제였던 COVID-19 팬데믹과 백신 개발을 보여주고 있다. 바이러스를 이해하고 퇴치하려는 전세계적인 노력으로 인하여 전례 없는 속도로 후보 백신이 승인을 받았으며, 백신을 통해 세계가 SARS-CoV-2의 위협으로부터 벗어나는데 도움이 될 것이라는 희망이 있다. 표지 이미지: AXS Studio

Cover Story doi: 10.1038/JNature7839cvst-1

News Features doi: 10.1038/d41586-020-03435-6

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조직 재생과 암을 모방한 방광 Assembloids 생성

Nature 588 (2020년12월24일)

In vitro에서 조작된 조직은 종종 In vivo 조직의 복잡성이 부족하여, 질병 모델링 적용에 제한적이다. 이 연구에서 Kunyoo Shin 과 연구진들은 다층 요로상피, 섬유아세포와 내피 세포의 기질, 그리고 외부 근육층으로 구성된 방광 Assembloid를 생성하였다. 이 Assembloid는 장기 구성과 생리학을 재현한다. 또한 암 환자에서 추출한 세포를 사용하여 종양 방광 Assembloid를 생성하여 요로상피세포암의 병인에 대한 통찰력을 제공하였다. 이 연구는 방광 생리학과 암 연구를 위한 고유한 모델을 제공한다.

Article doi: 10.1038/s41586-020-3034-x

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미생물 군집의 고도로 다중화된 공간적 매핑(Mapping)

Nature 588 (2020년12월24일)

일반적으로 신체와 환경의 미생물 군집은 매우 다양하며 종 간, 숙주 및 환경과의 생태학적 상호작용에 영향을 미치는 정교한 시간적 및 공간적 역학을 나타낸다. 그러나 기술적 한계로 인해 이러한 군집의 공간 역학은 연구하기가 매우 어렵다. Iwijn De Vlaminck와 연구진들은 복잡한 군집에 있는 수백 종의 미생물의 위치와 종류를 공간적으로 매핑(Mapping)하기 위해 바이너리 바코드(Binary barcoding)와 최신 스펙트럼 이미징을 기반으로 한 다목적 접근법을 발표하였다. 연구진들은 HiPR-FISH (High-phylogenetic-resolution microbiome mapping by fluorescence in-situ hybridization) 방법을 적용하여 항생제 투여 후 마우스의 장내 미생물 군집의 구조 변화를 연구하고 이를 사용하여 사람 구강 플라크 미생물 군집에서 박테리아 군집 구조의 종단 안정성을 확인하였다. 이 기술은 광범위하게 미생물의 단일 세포 공간 매핑을 발전시킬 수 있는 잠재력을 가지고 있다.

Article doi: 10.1038/s41586-020-2983-4

News & Views doi: 10.1038/d41586-020-03315-z

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Magic-angle twisted bilayer graphene에서 강력하게 상관된 Chern 절연체(Insulators)

Nature 588 (2020년12월24일)

결정질 물질들은 다양한 토폴로지 위상(Topological phase)들이 관찰되었으며, 이중 알려진 대표적인 예는 양자 홀 효과(Quantum Hall effect)이다. 그러나 강한 전자-전자 상호작용에서 이러한 위상의 발생은 매우 드물며, 대부분 높은 자기장 이 존재하는 경우 확인된다. Ali Yazdani와 연구진들은 보통의 자기장에서 Magic-angle twisted bilayer graphene에서 강력한 상관(Correlated) 토폴로지 위상을 발표하였다. 이러한 위상은 서로 다른 Chern number를 특징으로 하며, 이는 양자 홀 영역에서 발생하는 소실이 없는 엣지 채널(Edge channel)의 양을 제공한다. 이러한 결과는 초전도성을 담당하는 모아레 그래핀(Moiré graphene)의 강한 상관 관계가 토폴로지 상 비단순 위상(Non-trivial phases)으로 이어질 수 있음을 보여준다.

Article doi: 10.1038/s41586-020-3028-8

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진화적 붕괴 시계(Evolutionary decay clock)로 측정된 종 분화와 멸종의 영향

Nature 588 (2020년12월24일)

고생물학(Paleobiology) 데이터베이스는 5억 년 전 현생누대(Phanerozoic eon)의 시작으로 거슬러 올라가는 화석 기록이 잘 반영되어 있는 자원이다. 이 데이터베이스는 시간에 따른 생물 다양성의 패턴을 추출하고 분석하기 위해 많이 사용되어왔다. 본 연구에서 저자들은 새로운 기계 학습(Machine learning) 알고리즘을 개발하였으며, 이는 일반적으로 대량 멸종과 대량 방산(Radiation)이 시간에 따라 분리된다는 것을 보여주었다. 생태적 붕괴 과정이 발생하는데 평균 1,940만 년이 소요되며(경쟁이 외부 종을 제거 할 때), 페름기(Permian) 말기 멸종은 생물 다양성의 가장 강력한 파괴자였다.

Article doi: 10.1038/s41586-020-3003-4