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光子量子芯片让人工智能变得更智能和更环保

一组研究人员展示了即使是小规模的量子计算机也能通过一种新颖的光子量子电路提升机器学习性能。他们的发现表明，今天的量子技术不仅仅是实验性的，它在特定任务中已经可以超越经典系统。值得注意的是，这种光子方法还可以大幅减少能量消耗，提供一个可持续的前进道路，因为机器学习的能量需求正在飙升。 数据点的分类可以通过光子量子计算机完成，从而提高传统方法的准确性。图片来源: Iris Agresti 当前的热门研究主题之一是将两项最近的技术突破结合起来：机器学习和量子计算。一项实验性研究显示，已经小规模的量子计算机可以提升机器学习算法的性能。这项研究由维也纳大学的国际研究团队在光子量子处理器上进行。该研究最近发表在Nature…
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过时手机如何为智能城市提供动力并拯救海洋

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光子在虚空中碰撞：量子模拟从无中创造光线

物理学家成功模拟了一种奇特的量子现象，即光似乎从空荡荡的空间中产生，这一概念至今仅存在于理论中。通过尖端的模拟技术，研究人员模拟了强激光如何与所谓的量子真空相互作用，揭示了光子如何相互反弹，甚至产生新的光束。这些突破恰逢新的超强激光设施准备在现实中测试这些令人困惑的效应，潜在地为揭示新物理学甚至暗物质粒子打开了一扇大门。 使用先进的计算建模，由牛津大学领导的研究团队，与里斯本大学的高级技术研究所合作，首次实现了实时三维模拟，展示了强激光束如何改变“量子真空”——这一状态曾被认为是空的，但量子物理学预测它充满了虚拟的电子-正电子对。 令人兴奋的是，这些模拟重现了量子物理学预测的一种奇特现象，称为“真空四波混合”。这表明，三束聚焦激光脉冲的综合电磁场可以极化真空中的虚拟电子-正电子对，导致光子像台球一样相互弹跳——在一种“黑暗中的光”过程中生成第四束激光。这些事件可以作为在极高强度下探测新物理学的探针。 “这不仅仅是学术好奇心——这是实验确认量子效应的重要一步，之前这些效应主要是理论上的，”研究共同作者、牛津大学物理系的彼得·诺雷斯教授说。 这项工作正值新一代超强激光即将上线之际。英国的Vulcan…
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这款电池自毁：受《碟中谍》启发的生物可降解电源

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光子量子芯片让人工智能变得更智能和更环保

一组研究人员展示了即使是小规模的量子计算机也能通过一种新颖的光子量子电路提升机器学习性能。他们的发现表明，今天的量子技术不仅仅是实验性的，它在特定任务中已经可以超越经典系统。值得注意的是，这种光子方法还可以大幅减少能量消耗，提供一个可持续的前进道路，因为机器学习的能量需求正在飙升。 数据点的分类可以通过光子量子计算机完成，从而提高传统方法的准确性。图片来源: Iris Agresti 当前的热门研究主题之一是将两项最近的技术突破结合起来：机器学习和量子计算。一项实验性研究显示，已经小规模的量子计算机可以提升机器学习算法的性能。这项研究由维也纳大学的国际研究团队在光子量子处理器上进行。该研究最近发表在Nature…

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光子量子芯片让人工智能变得更智能和更环保

一组研究人员展示了即使是小规模的量子计算机也能通过一种新颖的光子量子电路提升机器学习性能。他们的发现表明，今天的量子技术不仅仅是实验性的，它在特定任务中已经可以超越经典系统。值得注意的是，这种光子方法还可以大幅减少能量消耗，提供一个可持续的前进道路，因为机器学习的能量需求正在飙升。 数据点的分类可以通过光子量子计算机完成，从而提高传统方法的准确性。图片来源: Iris Agresti 当前的热门研究主题之一是将两项最近的技术突破结合起来：机器学习和量子计算。一项实验性研究显示，已经小规模的量子计算机可以提升机器学习算法的性能。这项研究由维也纳大学的国际研究团队在光子量子处理器上进行。该研究最近发表在Nature…

过时手机如何为智能城市提供动力并拯救海洋

在全球每年生产超过10亿部智能手机的背景下，研究团队正在改变电子废物的处理方式。与其将旧手机扔掉，他们展示了一种开创性的方法：将过时的智能手机转变为微型数据中心。这种低成本的创新（每部手机仅8欧元）提供了实际应用，从监测公交乘客到观察海洋生物，而无需使用新技术。 每年，全球生产超过12亿部智能手机。电子设备的生产不仅耗能密集，还消耗珍贵的自然资源。此外，制造和运输过程会向大气中释放大量二氧化碳。同时，设备的老化速度比以往任何时候都快——用户平均每2到3年会更换仍然正常工作的手机。老旧设备充其量被回收利用，最糟糕的情况是最终被扔进垃圾填埋场。 尽管最可持续的解决方案是改变消费者的行为，更仔细地考虑每个新型号是否真的需要取代旧款，但这说起来容易做起来难。快速的技术发展令旧设备迅速过时。因此，需要替代方案——例如通过赋予设备全新的用途来延长其使用寿命。 这正是塔尔图大学计算机科学研究所的研究人员胡贝尔·弗洛雷斯、乌尔里希·诺比斯拉特、和智刚·尹，以及来自技术研究所的佩尔塞维朗·恩戈伊和他们的国际同事所测试的方法。“创新通常不是从新事物开始，而是从一种重新思考旧事物的方法开始，重新构想它在塑造未来中的角色，”胡贝尔·弗洛雷斯，普适计算的副教授解释道。他们证明了旧智能手机可以成功地转变为小型数据中心，能够高效处理和存储数据。他们还发现，建造这样的数据中心非常便宜——每个设备大约8欧元。 这些小型数据中心有广泛的应用。例如，它们可以在城市环境中，如公交车站，收集实时乘客数量数据，从而优化公共交通网络。…

光子在虚空中碰撞：量子模拟从无中创造光线

物理学家成功模拟了一种奇特的量子现象，即光似乎从空荡荡的空间中产生，这一概念至今仅存在于理论中。通过尖端的模拟技术，研究人员模拟了强激光如何与所谓的量子真空相互作用，揭示了光子如何相互反弹，甚至产生新的光束。这些突破恰逢新的超强激光设施准备在现实中测试这些令人困惑的效应，潜在地为揭示新物理学甚至暗物质粒子打开了一扇大门。 使用先进的计算建模，由牛津大学领导的研究团队，与里斯本大学的高级技术研究所合作，首次实现了实时三维模拟，展示了强激光束如何改变“量子真空”——这一状态曾被认为是空的，但量子物理学预测它充满了虚拟的电子-正电子对。 令人兴奋的是，这些模拟重现了量子物理学预测的一种奇特现象，称为“真空四波混合”。这表明，三束聚焦激光脉冲的综合电磁场可以极化真空中的虚拟电子-正电子对，导致光子像台球一样相互弹跳——在一种“黑暗中的光”过程中生成第四束激光。这些事件可以作为在极高强度下探测新物理学的探针。 “这不仅仅是学术好奇心——这是实验确认量子效应的重要一步，之前这些效应主要是理论上的，”研究共同作者、牛津大学物理系的彼得·诺雷斯教授说。 这项工作正值新一代超强激光即将上线之际。英国的Vulcan…
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衡量人工智能的真正成功：超越炒作

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一篇最近的文章强调，许多关于机器学习模型在解决特定方程表现有效性的期刊出版物往往呈现过于积极的观点。该研究的作者建议实施两项报告结果的准则，并倡导在研究社区内进行更广泛的变革，以促进发现的透明性和精确性。 围绕机器学习的兴奋，作为人工智能的一个子集，可能会产生一种印象，即这些工具很快将解决所有科学难题。尽管有许多惊人的主张，但它们并不总能经受住详细审查。虽然机器学习在某些领域显示出潜力，但在其他领域可能并不那么有效。 在最近发表在《自然机器智能》上的一项研究中，美国能源部普林斯顿等离子体物理实验室（PPPL）和普林斯顿大学的研究人员对机器学习方法与传统方法在处理流体相关的偏微分方程（PDE）时的研究进行了全面分析。这些方程在多个科学学科中至关重要，例如推动电力发电的聚变能所需的等离子体研究。 研究人员观察到，机器学习技术在解决流体相关的PDE与传统技术之间的比较常常偏向于机器学习。他们还注意到负面结果通常被低估。作为解决方案，他们提出了公平比较的准则，但认为文化变革是解决看似系统性问题的关键。 “我们的发现表明，尽管机器学习具有显著的潜力，但目前的文献呈现出其在解决这些特定方程方面过于乐观的观点，”…

鲨鱼启发的单向流体流动管道技术

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研究人员发现了一种新的方法，可以确保液体单向流动，消除了通常在发动机和我们循环系统中使用的用于防止液体回流的瓣膜的需求。这种创新的解决方案涉及一种设计有螺旋内部结构的柔性管，灵感来自鲨鱼肠道的解剖结构，最终形成的原型在工程和医学领域具有潜在的应用。 瓣膜具有至关重要的功能。在像泵心和发动机这样的系统中，它们促进液体的单向流动。如果没有它们，就很难维持液体的正确流动路径。 华盛顿大学的研究团队开发了一种方法，可以在不依赖瓣膜的情况下，仅仅单向引导液体流动。根据9月24日发表在《国家科学院院刊》上的一篇论文，该研究强调了一种具有类似鲨鱼肠道的螺旋结构的柔性管，能够有效管理液体流动方向，而无需机械部件。 人类肠道作为中空管道，而鲨鱼和魟鱼的肠道因其围绕中心开口的螺旋设计而显著。在2021年发表的一项研究中，另一个团队提出，这种独特的设计通过鲨鱼和魟鱼的消化系统促进了单向液体运动——称为流动不对称——不需要瓣膜或类似装置来阻止回流。这一概念引起了华盛顿大学博士后研究员伊多·莱文的兴趣，他是目前研究的主要作者。 “在没有主动瓣膜的情况下实现管道中的流动不对称的想法提供了广泛的技术可能性，但其基本机制尚不清楚，”莱文指出。“我们需要确定鲨鱼肠道的哪部分结构影响流动不对称，哪部分只是扩大了营养吸收的表面积。”…

革命性发现：碳化合物中的单电子键合作用

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在两个碳原子之间识别出稳定的单电子共价键，支持了一项已有百年历史的理论。 共价键涉及两个原子之间共享一对电子，构成了大多数有机化合物的基础。1931年，诺贝尔奖获得者林纳斯·鲍林提出了共价键可以只存在一个未配对电子的想法；然而，他指出，这种单电子键可能比涉及两个电子的传统共价键要脆弱得多。 尽管在其他情况下发现了单电子键，但在碳或氢中尚未发现，这使得科学家们寻找碳原子之间的单电子键成为一项重大挑战。 最近，来自北海道大学的研究人员成功分离出一种化合物，其中一个单电子被两个碳原子共享，形成了被称为σ键的显著稳定的共价键。他们的研究发表在《自然》杂志上。 “理解碳原子之间单电子σ键的特性对于增强我们对化学键理论的理解至关重要，并将为化学反应提供额外的见解，”参与研究的北海道大学化学系教授石垣裕介说。…

揭示稀有基因变异对健康的影响：人工智能在提高预测精度中的力量

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研究人员开发了一种深度学习算法，旨在预测稀有遗传变异的影响。这一技术使得更准确地识别高风险人群和帮助确定与疾病发展相关的基因成为可能。 我们对特定疾病的易感性主要由我们基因组中的众多变异决定。然而，理解在群体中出现频率较低的稀有遗传变异的影响一直是一个挑战。来自德国癌症研究中心（DKFZ）、欧洲分子生物实验室（EMBL）和慕尼黑工业大学的研究团队创造了一种聚焦于深度学习的算法，可以预测这些稀有遗传变异的影响。这一方法增强了区分高风险人群的能力，并帮助识别与疾病相关的基因。 每个人的基因组包含数百万种独特差异，称为变异，这些变异可以与特定生物特征和疾病相关联。这些联系通常通过全基因组关联研究进行探索。 然而，发生频率为0.1%或更低的稀有变异通常在这些研究中被忽视。“稀有变异可能对生物特征或疾病产生不成比例的大影响，”该研究的初始作者之一布赖恩·克拉克（Brian Clarke）说。“它们可能帮助我们发现导致疾病发展的基因，从而开辟新的治疗可能性，”共同第一作者艾娃·霍尔坎普（Eva…

植物MRI技术的革命性进步

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磁共振成像（MRI）是一种灵活的技术，广泛应用于生物医学研究；然而，利用它分析活有机体中的植物代谢却被证明是困难的。由L. Borisjuk博士领导的研究团队，联合维尔茨堡大学的P.M. Jakob教授，开发了一种称为化学交换饱和转移（CEST）的方法，专门用于植物的MRI。这种创新方法允许对重要作物（如玉米、大麦、豌豆、土豆、甜菜和甘蔗）中的复杂汇源器官（包括种子、水果、主根和块茎）进行无创的糖和氨基酸代谢检查。他们的研究结果最近发表在《科学进展》期刊上。 "组学"技术——基因组学、转录组学、蛋白质组学和代谢组学——在现代植物科学和系统生物学中处于领先地位。与相对"静态"的基因组不同，代谢组是动态的，受到多种空间和时间因素的影响。在生物医学领域，核磁共振（NMR）成像或MRI是用于体内代谢诊断和功能研究的最具影响力的技术之一。然而，直到现在，类似的方法在植物科学中尚未完全探索。 一个名为“同化分配与NMR”的跨学科团队在IPK专注于发挥NMR成像在植物科学领域的潜力。得益于欧洲区域发展基金（ERDF）和萨克森-安哈尔特投资银行的资金支持，他们成功建立了一个新的NMR平台，这对他们的研究至关重要。…

为心理健康量身定制的视频游戏：为儿童和青少年解锁益处

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科学家们已确定，某些设计为心理健康干预的视频游戏可以作为有用的辅助工具，尽管效果有限，帮助改善遭受焦虑、抑郁和注意力缺陷/多动障碍（ADHD）儿童和青少年的心理健康。约翰霍普金斯儿童中心的一个团队回顾了早期的研究，发现某些用于心理健康目的的视频游戏可以在一定程度上对面对焦虑、抑郁和ADHD的儿童和青少年的心理状态有所帮助。 该综述聚焦于2011年至2024年3月20日之间发表的同行评审期刊的研究，于2024年9月23日发表在《JAMA Pediatrics》上。 据估计，美国年龄在三到17岁之间的儿童和青少年中，有20%患有心理、情感、发育或行为障碍。此外，医疗保健研究与质量局的报告指出，在2019年前的十年中，高中生的自杀行为增加了40%以上。其他研究表明，COVID-19大流行造成的干扰加剧了这些问题，尽管家庭在为孩子寻求心理健康护理，但预约等待时间变得更长了。 “我们发现文献显示，即使我们将儿科心理健康提供者的数量翻倍，仍然无法满足需求，”约翰霍普金斯大学医学院精神病学与行为科学系的住院医生、该研究的主要作者巴里·布莱恩特（Barry…

导航宇宙：低重力如何影响心肌功能

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约翰霍普金斯医学的研究人员报告了一个实验的发现，该实验涉及48个生物工程的人类心脏组织样本，这些样本被送往国际空间站（ISS）30天。结果表明，与保存在地球上的类似样本相比，低重力环境削弱了心脏组织，并干扰了其典型的节律性收缩。 研究人员指出，心脏组织“在太空中确实表现不佳”，揭示随着时间的推移，在国际空间站上这些组织的收缩力量大约只有地球样本的一半。 这些发现扩展了对低重力可能对宇航员在长期太空任务中的生存和福祉影响的理解，并可能为研究心肌老化和在地球上潜在的治疗提供重要模型。 关于组织分析的详细报告将在9月23日那一周在《美国国家科学院院刊》上公开发布。 早期研究发现，一些宇航员在返回地球后经历与年龄相关的问题，如心脏肌肉功能下降和心律失常（不规则心跳），其中一些影响在他们的返回后逐渐缓解。…

数学揭示蛋白质动态的奥秘

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研究人员揭示了突变对蛋白质稳定性的影响遵循惊人简单的原则。这一发现可能会显著加速各种疾病新治疗方法的创造，并有助于为工业用途设计新型蛋白质。 今天在《自然》杂志上发布的一项研究，由基因组调控中心（CRG）和威尔康萨特·桑格研究所的科学家领导，揭示了突变如何根据非常简单的原则影响蛋白质的稳定性。这一发现可能会对加速新疾病治疗方法的开发和为工业目的设计蛋白质产生重要影响。 蛋白质由二十种不同类型的组成部分称为氨基酸组成链条。一次突变会用另一种氨基酸替换一个氨基酸，导致蛋白质结构的变化。这种改变可能是健康与疾病之间的关键因素。许多疾病，如癌症和神经退行性疾病，都源于蛋白质中的多个突变。 理解突变如何改变蛋白质的形状，对于理解它们在疾病中的作用至关重要。然而，考虑到蛋白质中氨基酸的数量，突变的潜在组合令人震惊。实验性地测试每种可能的组合以查看它们如何影响蛋白质实际上是不可行的。 “如果我们只允许每个位置更改一次，由34个氨基酸组成的蛋白质有170亿种潜在组合。如果我们每测试一种组合花费1秒的时间，完成所有测试将需要539年。这显然是不现实的，”研究的共同作者艾娜·马尔蒂·阿兰达说。她在CRG开始了这个项目，目前在英国的威尔康萨特·桑格研究所攻读博士学位。…

韦伯望远镜揭示了一个奇特的星系，气体主导了星光

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根据天文学家的说法，早期宇宙中识别出一种特殊且无与伦比的星系可能为宇宙的起源提供关键见解。这颗星系被命名为GS-NDG-9422（9422），它是在大约宇宙大爆炸后十亿年被发现的。它具有独特和前所未有的光谱特征，表明其气体明亮超过其恒星。研究人员认为，这种“全新的现象”可能代表星系演化中的一个关键过渡阶段，连接宇宙的第一颗恒星与我们今天所认识的更熟悉的星系。 这种特殊类型的星系是由耗资100亿美元（76亿英镑）的詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）观测到的，该望远镜是美国、欧洲和加拿大的航天机构合作设计的，专门用于回望宇宙的初期。 这些发现今天在《皇家天文学会月报》发表的研究文章中公开分享。 “在检查星系的光谱时，我的初步想法是，‘这很奇怪，’而这正是韦伯望远镜旨在发现的：来自早期宇宙的全新现象，将增强我们对宇宙起源的理解，”牛津大学的首席研究人员亚历克斯·卡梅伦博士表示。 卡梅伦联系了理论学家哈利·卡茨博士来深入研究这个令人困惑的数据。经过合作，他们的团队发现，计算机模拟的宇宙气体云被极其炙热、巨大的恒星加热，气体明亮超出恒星，和韦伯的发现密切匹配。…

探索遥远世界：外行星特征的揭示

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研究人员一直在研究海王星类系外行星——这些行星与我们的海王星相似，但存在于太阳系之外。他们发现了一个新的区域，称为“海王星岭”。这个岭位于所谓的“海王星沙漠”和“海王星草原”之间。 华威大学的科学家们创造了一张开创性的“地图”，展示了在深空中将 barren desert of…

发掘宝藏：灭绝火山如何蕴藏稀土元素的秘密

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一种独特的富铁岩浆，发现于古老的火山遗址中，可能含有大量稀土元素，这表明了一种获取这些受追捧金属的新潜在方法，最近的研究结果显示。这些稀土元素是各种技术的基本组成部分，包括智能手机、平板电视、磁铁，以及公共交通工具如火车和军事装备。此外，它们对于生产电动车和可再生能源解决方案如风力涡轮机至关重要。 澳大利亚国立大学（ANU）和中国科学院大学的研究发现，发现的这种独特的富铁岩浆可能含有显著数量的稀土元素。 来自ANU的迈克尔·阿嫩堡博士解释说，固化于古代火山中的富铁岩浆在浓缩稀土金属方面的效率比活火山喷发释放的岩浆高达一百倍。 阿嫩堡博士表示：“我们尚未观察到富铁岩浆从活火山喷发出来；然而，我们知道一些已经灭绝的火山，距今数百万年，经历过这种有趣的喷发。” “我们的研究表明，全球这些富铁的灭绝火山，包括智利的埃尔拉科，可能是探索稀土元素的有希望的地点。”…

创新之光：激光如何改变泰国伞的工艺

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分层伞，称为chatras，作为泰国最受尊敬和最古老的装饰符号之一而屹立不倒。制作这种精美的工艺品传统上需要大师工匠投入大约六个月的专注工作。然而，研究人员引入了一种具有革命性的方法，通过强激光制造这些七层伞，大大缩短了生产周期。他们利用二氧化碳激光，仅用几天时间就成功制作出不锈钢伞，同时保持了其精美的细节。 分层伞是泰国最具历史和神圣意义的装饰符号之一，出现在佛塔、佛教受戒殿和皇宫中。这些复杂作品的创作，通常需要大师工匠长达六个月的时间。 根据由AIP Publishing出版的《激光应用杂志》，研究人员开发了一种使用高功率激光生产七层伞的方法，这显著减少了所需的生产时间。他们使用二氧化碳激光在几天内构建出不锈钢伞，同时保持其美丽的设计。 “目前能够制作分层伞的工匠不多，”作者皮切特·林苏万表示。“我们的希望是展示一种创新方法来帮助保护泰国的艺术和文化。”…
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