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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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提升语言模型：语言代理在经济有效思维中的角色

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研究人员创建了一种旨在增强大型语言模型（LLM）认知能力的代理程序。 在科技行业中，越来越普遍的LLM并不便宜。例如，构建像GPT-4这样的知名LLM大约花费了1亿美元，这其中包括与训练数据相关的法律费用、处理数十亿或数万亿参数所需的计算能力、处理所需的能源和水，以及许多开发者创建迭代学习所需训练算法的努力。 然而，如果研究人员需要支持某个特定任务，而该任务可以由机器更有效地处理，而他们又没有像圣路易斯华盛顿大学这样的大型机构所提供的资源，那么还有哪些替代方案呢？例如，如果一位家长希望为孩子准备一场挑战性的考试，并需要提供许多复杂数学问题的解决示例。 鉴于前面提到的开销，自建一个LLM将是一个艰巨而昂贵的任务。此外，直接使用像GPT-4和Llama 3.1这样的大型模型，对于涉及逻辑和数学的任务所需的复杂推理可能也不太适合。…

革命性的电解质：钢铁制造及更多的下一个前沿

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科学家们正在引领一种新方法的开发，以提高电解质的能量效率并降低电化学过程的碳足迹。他们的目标是在钢铁生产等领域增强电解质的效能。电解质对于任何电池的运行至关重要。它们充当正离子（阳离子）在电池的正极和负极之间移动的通道。这种移动使电池在使用时释放能量，并在充电时储存能量。整个过程被称为电化学。 电解质在各种电化学过程中发挥着关键作用。例如，它们可以促进铁矿石转变为精炼铁或铁合金。主要障碍之一是确保电解质在高压运行条件下保持稳定，并防止可能削弱能量效率的副反应。成功克服这一挑战可能会替代目前用于钢铁生产的能源密集型高炉，减少温室气体排放。 这正是新成立的电合成钢铁电气化中心（C-STEEL）的目标，该中心由能源部（DOE）资助并由阿贡国家实验室管理。 在最近的一次科学评审中，阿贡的研究人员提出了一种创建适用于广泛电化学过程的新类电解质的新方法。“通过这一策略，科学家们不仅可以开发电动汽车电池的电解质，还可以用于低碳制造钢铁、水泥和其他化学品，”阿贡的材料科学家及C-STEEL的负责人之一贾斯丁·康奈尔提到。 通常，用于电动车电池的电解质由溶解在液体溶剂中的盐组成。例如，氯化钠是常见盐，而水则作为常见溶剂。盐为电解质提供阳离子和负电荷离子（阴离子）——在食盐的情况下，就是氯。尽管电池中盐和溶剂的组合通常复杂，但它们运行的一个关键因素是电解质通过阴离子和阳离子的平衡保持电荷中性。…

创新催化剂为生态友好的生物质丙烯合成铺平道路

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研究人员发现了一种利用甘油成分制造生物基丙烯的方法。实现碳中和的关键是有效利用可再生生物质。例如，在生物柴油生产过程中，甘油作为重要副产品产生。大阪市立大学的团队发明了一种新催化剂，该催化剂有效地将甘油衍生物转化为生物基丙烯，从而有助于可持续化学制造。 通常，丙烯来源于石油，并广泛用于塑料的生产，包括汽车保险杠和食品容器等物品。在研究小组的领导下，由助理教授竹本真和教授松坂广之组成的研究团队，创建了一种催化剂，该催化剂能够选择性地断裂丙烯醇（一种甘油衍生物）中的氧碳键，以产生生物基丙烯。 这种创新的催化剂允许利用可再生能源（如氢气或电力）高效、选择性地将丙烯醇转化为丙烯。该催化剂包含一种称为金属配体的独特分子，专门设计用于支持两个金属在催化剂内的可逆结合。这种能力提高了反应效率，确保了高选择性，并减少了不必要副产品的产生。 竹本教授表示：“我们的研究结果为传统丙烯生产方法提供了一种可持续替代方案，有助于更环保的化学工业。我们对进一步推进这一技术并研究其更广泛的应用感到兴奋。”

利用人工智能：揭示玉米产量分析的预测网络

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人工智能（AI）是2024年的趋势话题。尽管它不是流行文化的主要焦点，农业、生物学和技术的研究人员越来越多地利用AI。他们共同努力寻找有效的方法，让这些算法和模型能够从数据中提取信息，以理解和预测气候变化影响下的世界。 最近发表在《植物科学前沿》上的一篇文章展示了克劳迪亚·阿维莱斯·托莱多的工作，她是普渡大学的地理信息学博士研究生，以及她的导师梅尔巴·克劳福德和米切尔·图因斯特拉。他们展示了一种递归神经网络的能力——这种模型训练计算机使用长期短期记忆处理信息，利用各种遥感技术结合环境和遗传数据来预测玉米产量。 植物表型分析涉及检查和详细描述植物特征，这可能是一个劳动密集的过程。例如，通过卷尺测量植物高度，使用繁琐的手持设备在不同波长下评估反射光，以及收获单独的植物进行化学分析，都是要求高且成本高的任务。幸运的是，利用无人驾驶航空器（UAV）和卫星的遥感技术，使获取田野和植物信息变得更加容易。 根据图因斯特拉的说法，他是农业研究的威克舍姆杰出主席，也是农学系的植物育种和遗传学教授，“这项研究展示了基于UAV的数据采集和先进深度学习网络如何有助于预测像玉米这样的粮食作物中的复杂性状。” 克劳福德是一位土木工程和农学的杰出教授，他认可阿维莱斯·托莱多及其团队在田间和通过遥感收集表型数据的努力。像这样的项目展示了基于遥感的表型分析如何同时减少劳动力需求，并收集通常人类感官无法检测到的独特植物数据。…

创新的石墨烯尖刺垫和磁技术：抗击抗生素耐药性的新盟友

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石墨烯具有强大的杀菌属性，使其在抗击抗生素耐药性细菌的斗争中具有潜在的突破性意义。到目前为止，没有有效的方法来利用这些属性，限制了其在医疗保健中的应用。瑞典查尔默斯科技大学的研究人员现在通过采用类似于标准冰箱磁铁的技术解决了这个问题。结果是一个超薄的、类似针灸的涂层，可以应用于导管和植入物，能够消灭任何表面上99.9%的细菌。 与医疗保健相关的感染是全球普遍面临的挑战，导致了相当大的痛苦、飞涨的医疗费用，以及增加的抗生素耐药风险。这些感染大多数源于医疗设备，如导管、髋关节和膝关节植入物以及牙科装置，细菌可以通过外部表面渗透到体内。在查尔默斯科技大学，研究人员探讨了石墨烯这种原子级薄的二维石墨形式在抗击抗生素耐药性和与医疗相关感染方面的作用。研究团队之前已经证明，垂直定向的石墨烯薄片可以防止细菌附着在表面上；相反，细菌被薄片的锋利边缘有效地摧毁。 "我们正在开发一种基于石墨烯的超薄抗菌材料，可以涂覆在任何表面上，包括生物医学设备、手术表面和植入物，以防止细菌附着。由于石墨烯从物理上抑制了细菌的附着，因此它的优势在于不会促进抗生素的耐药性，这与传统的化学替代品 such as…

革命性的氢生产：低温下使用电场辅助质子化将氨转化为氢

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氨（NH₃）可以被分解以生成氢气，而无需排放二氧化碳。它的高密度和便于运输的特点使其成为绿色能源部门的重要资产。然而，氨的一个主要限制是其分解反应所需的极高温度。最近，日本研究人员的合作努力提出了一种表面质子辅助技术，利用电场和Ru/CeO₂催化剂按需从氨中生产绿色氢气。 氢气由于其高能量密度以及不排放碳的特性，越来越受到关注，被视为可持续未来的清洁能源来源。尽管氢是宇宙中最丰富的元素，但它很少独立存在；通常存在于氨、金属氢化物和其他富含氢的物质中。 在可用的氢载体中，氨因其广泛可得性、高氢含量（其质量约为17.6%）以及易于液化和运输而特别有前景。然而，使用氨进行按需绿色氢生产的一个重大缺点是，需要非常高的温度（超过773K）才能有效分解。用于燃料电池和内燃机的高效氢生产要求在较低温度下对氨进行高转化率。 为了解决这一挑战，早稻田大学的教授关根康志以及他的团队成员大内幸乃、土井佐恵和Yanmar Holdings的御手洗健太，提出了一种可以在降低温度下运行的新型紧凑工艺。他们展示了一种实验装置，通过施加电场和利用高活性且易于获得的Ru/CeO2催化剂，在显著较低的温度下将氨转化为氢气。这项研究于2024年8月27日发表在《化学科学》上。…

增强水泥创新：保护我们的海岸宝藏

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人工海岸线，包括工程堤坝和建筑物，旨在限制侵蚀并抵御风暴和洪水。然而，许多此类结构并未保护生态功能。因此，中国的研究人员探索了独特类型水泥的发展。研究团队以一种由石灰石和粘土制成的水泥开始工作，该水泥在水下固化，并随后加入了聚丙烯酰胺和壳聚糖。这两种成分被混入水泥中，以创建固体基材，同时也作为表面处理应用于现有的固化水泥。在两天内，观察到经过表面处理的样品上生长着繁茂的生物膜并在积极生长。 海岸线在我们的全球生态系统和经济中扮演着至关重要的角色。沿海栖息地对于保持生物多样性至关重要，作为抵御侵蚀、风暴和洪水的自然屏障，同时也是显著的碳汇，有助于减缓温室气体。地方经济从沿海的可持续渔业和旅游热点中受益。 自然海岸线，如珊瑚礁、沼泽和红树林，都是完全发育和稳定的，能够自我调节和恢复。然而，人类活动——如城市发展、过度开发以及污染——可能使这些地区面临破坏的风险。 人工海岸线，包括人造堤坝和各种工程基础设施，可以帮助防止侵蚀并提供保护以抵御风暴和洪水。然而，这些结构中许多未能提供重要的生态功能。 在《生物界面》杂志上，东南大学和中国科学院大学的一组研究人员研究了专用水泥类型如何有助于海岸线的生态保护。…

天文学家发现一种具有非凡特性的明显扭曲的系外行星

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天文学家在NASA的詹姆斯·韦伯太空望远镜的帮助下，成功地研究了一颗炎热且异常膨胀的系外行星的气氛。来自亚利桑那大学的研究团队与一个国际小组合作，研究了一颗热系外行星，其体积明显大于木星，但质量仅为木星的十分之一。他们发现该行星的气氛中存在东西不对称，表明其气氛结构的两个侧面之间存在显著变化。 这项研究的结果发表在《自然天文学》杂志上。 “这项研究标志着第一次观察到系外行星在经过其恒星前方时的东西不对称现象，从太空的角度。”该研究的首席作者、亚利桑那大学斯图尔特天文台的研究生马修·墨菲表示。当行星穿过恒星的轨道时，就会发生过境现象，类似于月球在日食期间遮住太阳。 “从太空观察相比地面观测具有许多优势。”墨菲解释道。 东西不对称一词描述了系外行星东、西半球之间大气特征的变化，如温度和云层形成。了解这种不对称是否存在对理解系外行星的气候、大气行为和天气系统至关重要——这些行星位于我们太阳系之外。…

变革性阴极材料将改变电动汽车和能源存储系统的游戏规则

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一个研究团队已推出一种经济实惠的氯化铁阴极，适用于全固态锂离子电池，这有可能降低电动汽车和大规模能源储存解决方案的成本并提升性能。由乔治亚理工学院的陈海龙领导的合作研究努力创造了一种创新的、成本效益高的阴极，可以显著提升锂离子电池（LIBs）的性能，有可能彻底改变电动汽车（EVs）和广泛的能源储存系统的市场。 “长期以来，人们一直在寻找更实惠、更可持续的替代现有阴极材料。我相信我们找到了一个”，陈表示，他同时担任乔治·W·伍德拉夫机械工程学院和材料科学与工程学院的副教授。 这种突破性的材料，氯化铁（FeCl3），仅占常规阴极材料的1-2％的成本，同时能够储存等量的能量。阴极材料的选择至关重要，因为它影响电池的容量、能量输出、效率以及整体性能、寿命和性价比。 “我们的阴极真的是一个颠覆性的变化，”陈坚定地说，他的团队在《自然可持续性》上详细介绍了他们的研究成果。“这将对电动汽车市场产生显著影响，并提升整个锂离子电池行业的水平。” 锂离子电池最初由索尼在1990年代初期商业化，促使了个人电子设备的激增，包括智能手机和平板电脑。随着时间的推移，这项技术发展为电动汽车提供电力，提供了可靠、可充电和高密度的能源来源。然而，与消费电子产品不同，大规模能源消费者如电动汽车对锂离子电池的相关成本特别敏感。…

早期宇宙中类星体邻域的混乱魅力

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最近的观察验证了天文学家对早期宇宙中类星体的预测，即这些类星体出现在伴随星系丰富的区域。暗能量相机（DECam）在得出这一结论中发挥了重要作用，提供了广阔的视野和专用滤光器，有助于澄清为什么以前的研究在理解类星体周围密度时产生了混合结果。 类星体是宇宙中最亮的天体，其能量来自被吸入位于星系中心的超大质量黑洞的物质。研究表明，早期宇宙中的类星体的黑洞庞大到必须以极高的速度摄取气体。这使得大多数科学家相信，这些类星体起源于宇宙中人口最密集的区域，那里气体丰富。然而，试图验证这一观点的观测数据却得出了不一致的结果。一项使用暗能量相机（DECam）的新研究为这些相矛盾的发现提供了见解，并在观察与理论之间建立了逻辑联系。 DECam由能源部开发，安装在智利塞罗托洛洛美洲天文台的维克托·M·布兰科4米望远镜上，属于国家科学基金会（NSF）NOIRLab的一个项目。 这项研究由特里斯坦·兰伯特主导，他在智利迭戈·波塔莱斯大学的天体物理研究所作为博士生进行这项研究，目前是西澳大学国际射电天文学研究中心（ICRAR）节点的博士后研究员。凭借DECam的广阔视野，团队进行了有史以来最大规模的早期宇宙类星体的天际搜索，以通过计算附近的伴随星系来评估其周围环境。 在该研究中，团队需要选择一个距离精确确定的类星体。他们幸运地选择了类星体VIK…

革命性分子分析：NMR光谱以闪电般的速度揭示“旋转感”

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卡尔斯鲁厄理工学院（KIT）和Voxalytic GmbH的研究人员引入了一种开创性的技术，首次通过核磁共振（NMR）光谱法阐明了分子的手性结构——即原子的精确三维排列。这一药物开发的重要进展历来是一项漫长而复杂的过程。然而，这种创新的方法可能很快会成为化学和制药领域的标准工具。研究结果已发表在《先进材料》期刊上。 分子的手性概念指的是它们的独特构型：一些分子以称为对映体的对的形式存在，基本上是彼此的镜像——类似于左右手套的不同。特定的取向，无论是左手型还是右手型，会影响这些分子在生化和化学反应中的相互作用。尽管它们看起来相似，但它们的特性可能大相径庭，有时甚至相互对立。 在制药背景下，这种可变性可能导致严重的问题。例如，在1960年代，药物“Contergan”（或“苯丁胺”）在孕妇用来治疗恶心时与严重的出生缺陷有关。这导致了该药的禁用，并规定制药公司必须验证其手性化合物在人体内不会转化为其镜像对应物。 这种方法简化了药物成分研究…

研究人员简化光学原子钟的设计而不影响性能

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研究人员展示了一种新的光学原子钟，它使用单一激光并且不需要低温。通过大幅减少原子钟的体积和复杂性，而不牺牲准确性和稳定性，这一进展可能会导致高性能的紧凑型和便携式原子钟。 “在过去的二十年里，下一代原子钟的性能取得了许多重大进展，”亚利桑那大学的研究团队负责人杰森·琼斯说。“然而，这些系统中的许多并不适合在实际应用中使用。为了将这一先进技术带出实验室，我们采用了一种简化设计，其中单一频率梳激光既充当时钟的摆锤或滴答机制，又充当跟踪时间的齿轮系统。” 频率梳——一种发出成千上万种均匀间隔颜色或频率的激光——对原子钟和计时技术产生了革命性影响。在光学出版集团期刊《光学快报》中，琼斯和同事描述了一种光学原子钟，利用频率梳直接激发铷-87原子的双光子跃迁。他们表明，这种新设计达到了与传统使用两激光的光学原子钟相同的性能。 “这一进展还可以帮助增强基于卫星的原子钟的GPS网络，通过提升性能并使备份或替代钟表更易获取，”论文第一作者塞斯·埃里克森说。“这也是将高性能原子钟引入日常应用和人们日常生活的第一步，这可能会使电信网络能够非常快速地在不同对话之间切换。这将使许多人能够同时通过同一电信频道进行通信，并提高数据速率。” 简化高级计时…
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