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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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革命性材料开发出测量纳米尺度温度的能力

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科学家们最近发现了一种在温度变化时会改变颜色的纳米尺度材料。研究人员在加利福尼亚大学欧文分校发现了一种一维纳米尺度材料，其颜色随着温度的变化而变化。这一重要发现发表在《先进材料》期刊上。 “我们开发了非常小且高度敏感的温度计，”加州大学欧文分校的化学教授及研究团队负责人Maxx Arguilla表示。“这是我们实验室中最实用和应用性强的项目之一。” Arguilla将这些新的温度计比作“纳米尺度的心情戒指”，强调这些戒指如何响应人的体温而改变颜色。然而，与仅提供定性温度指示的戒指不同，这些材料的颜色变化可以进行校准，以实现纳米尺度的精确光学温度测量，Arguilla强调。 “监测温度至关重要，因为许多生物和工业过程依赖于跟踪微小的温度波动，”他指出。“我们现在有可能使用这些温度计探测细胞。”…

星系在拥挤的宇宙邻域中蓬勃发展：揭示新谜团

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最近的一项研究表明，与形状和质量相似但处于人烟稀少地区的星系相比，周围邻居较多的星系通常体型较大。研究团队利用机器学习算法剖析了数百万个星系，发现宇宙中密集区域的星系可能比孤立星系大最多25%。这些结果阐明了天体物理学家之间关于星系大小与其周围环境之间关系的持续争论，同时也提出了关于星系形成和发展过程的新问题，这些过程跨越数十亿年。 多年来，科学家们认识到，某些星系生活在邻近星系密集的环境中，而另一些星系则在宇宙中大部分时间独自漂浮，周围几乎没有伴随的星系。 最近的一项研究确定了这些不同环境中星系之间的显著区别：邻近星系较多的星系往往比其形状和质量相似的、位于人烟稀少空间中的星系要大。在8月14日发表在《天体物理学杂志》上的一篇论文中，华盛顿大学、耶鲁大学、德国波茨坦莱布尼茨天体物理研究所以及日本早稻田大学的研究人员指出，位于更加密集的宇宙区域的星系可能比孤立星系大多达25%。 这项研究利用新开发的机器学习工具分析了数百万个星系，揭示了一个长期争议的问题：星系的大小与其周围环境之间的相互关系。此外，发现的新观察结果还引发了关于星系起源与发展的问题，时间尺度极大。 “目前关于星系形成和演化的理论未能充分解释星系在星团中比孤立地区的星系更大的观察结果，”首席作者Aritra…

为未来革命性改进燃料电池汽车技术

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为了使燃料电池驱动的重型氢气车辆成为传统内燃机车辆的可行替代方案，我们需要更高效、更耐用的燃料电池。瑞典查尔默斯技术大学的研究人员创造了一种突破性技术，以检查和理解燃料电池中不同组件如何随着时间的推移而退化。这一发展是提升燃料电池性能和增强其商业可行性的重大进展。 氢气对于重型车辆来说是一个越来越有吸引力的燃料选择。运行氢气的车辆只产生水蒸气作为废气，如果氢气是使用可再生资源生成的，则没有二氧化碳排放。与依赖电池的电动车不同，氢气车辆不会对电力网施加负担，因为氢气可以在电价低时生产和储存。某些氢气车辆采用了名为燃料电池的技术进行推进。然而，氢燃料电池车辆的实用性受到其相对有限的使用寿命的制约，这主要是由于随着时间的推移，电极和膜等组件的磨损。最近的研究针对这一挑战。 查尔默斯技术大学的研究人员设计了一种新方法，通过监测燃料电池运行时的特定粒子来研究老化对燃料电池的影响。研究小组定期拆解整个燃料电池，以研究其退化情况。他们采用先进的电子显微镜技术观察阴极电极在不同使用周期内特定区域的退化情况。之前的研究集中于“半电池”，这些仅代表燃料电池的一部分，且在与实际燃料电池相比的显著不同的条件下进行研究。 通过新的实验方法获得更深入的见解 项目负责人、查尔默斯物理系副教授比约恩·维克曼指出：“之前认为，燃料电池的性能会由于我们所采用的拆解和分析过程而下降，但令人惊讶的是，这一假设是错误的。”…

微小舞池：物理学家举办迷你迪斯科盛宴

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一个显著的突破在悬浮光机械学领域取得，由李同苍教授领导的科学团队发现了在真空中悬浮的微小钻石中电子自旋的贝里相。 一个显著的突破在悬浮光机械学领域取得，由李同苍教授的团队观察到在真空中悬浮的微小钻石中电子自旋的贝里相。 普渡大学的研究人员正在举办世界上最小的舞会。在这个活动的中心是一颗荧光纳米钻石，他们将其悬浮并以惊人的速度旋转。当钻石旋转时，它散发出五颜六色的光线向各个方向散射。这个“派对”使他们能够研究快速旋转如何影响钻石内的自旋量子比特，最终观察到贝里相。研究结果发表在《自然通讯》上，并被审稿人称赞为“对旋转量子系统和悬浮动力学探索的潜在突破时刻”，标志着悬浮光机械学领域的新成就。 “想象一下微小的钻石在真空中悬浮。这些钻石内部包含自旋量子比特，能够使科学家进行精确测量，并深入探讨量子力学与引力之间的有趣联系，”李教授解释道，他也是普渡大学量子科学与工程研究所的一部分。“以前，使用这些悬浮钻石的研究在真空中保持钻石和读取自旋量子比特方面遇到困难。在我们的研究中，我们成功地使用一种独特的离子陷阱在高真空环境中悬浮了一颗钻石。这是我们第一次能够在高真空条件下观察和管理悬浮钻石中的自旋量子比特的行为。” 团队成功使钻石以高达每分钟12亿次的惊人速度旋转！这种快速运动使他们能够独特地观察旋转如何影响自旋量子比特，特别是在一种称为贝里相的效应中。…

发掘火星杰作：夺回可能揭示水和生命的岩石的关键任务

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在2022年7月至11月间，NASA的“毅力”探测器在杰瑟罗陨石坑内的一个古老的冲积扇上收集了七个沉积样本。初步的机载测试提供了一些关于这些样本成分的见解，但在地球上的全面检查是必要的，以揭示水何时以及如何存在于火星上，以及它是否可能支持生命。尽管地球物理学家旨在在2033年前回收这些样本，但NASA的样本回收任务可能会面临延迟，超出这一时间表。 在2022年近五个月的时间里，NASA的“毅力”探测器从火星收集了岩石样本，这可能改变我们对红色星球水历史的理解，并可能表明古代生命的证据。 然而，这些样本的珍贵信息在没有进一步详细的地球研究的情况下无法得到充分探索，必须进行一次任务来回收这些样本。科学家们仍然希望能在2033年前回收这些样本，但由于NASA的样本回收任务可能出现延迟，所需时间可能更长。 “这些样本是我们任务的主要目标，”加州大学伯克利分校的地球和行星科学教授、大卫·舒斯特（David Shuster）在NASA样本收集团队中表示，共同作者之一。“这正是我们所希望实现的目标，而我们成功了。这些样本正是我们来到这里的原因。”…

火星古老的杰泽罗陨石坑岩石显示地球生命之前的水的证据

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科学家发现，来自火星捷泽罗陨石坑的岩石样本含有通常在水中形成的矿物。尽管有机物质的存在尚不清楚，这些岩石可能代表了科学家发现古代火星生命证据的最佳机会。 最近，麻省理工学院和美国宇航局的研究人员在《AGU Advances》期刊上发表的一项研究显示，来自捷泽罗陨石坑“扇前”的七个岩石样本展现了通常在水生环境中形成的矿物。这些发现表明，这些岩石可能是被水沉积而成，或者是在水存在时形成的。 这七个样本是由美国宇航局的“毅力号”探测器在2022年收集的，当时它在探索陨石坑的西坡，科学家们建议一些岩石可能源于曾经存在的大型古湖。毅力号科学团队与麻省理工学院的研究人员一起分析了探测器的图像和化学数据，确认了这些岩石中存在水的证据，并表明陨石坑可能曾是一个宜居的水域环境。 目前尚不确定该陨石坑是否曾寄宿任何形式的生命。团队无法根据探测器的读数确认有机物质的存在—有机物质基本上是生命的构建块。然而，岩石的矿物成分使科学家相信，它们在返回地球进行进一步研究后，最有可能揭示古代火星生命的迹象。…

革新发现：借助尖端纳米技术探索微观世界

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科学家们在纳米技术领域取得了一个重要的里程碑，做出了革命性的发现。他们创造了一种新的显微镜技术，使得对纳米结构及其与光相关属性的观察达到了前所未有的程度。 来自弗里茨·哈伯研究院物理化学系的研究人员在纳米技术方面取得了重要进展，正如他们在《先进材料》上的最新文章所解释的那样。他们的研究标题为“强耦合声子极化子在SiC超表面的光谱和干涉和频成像”，提出了一种创新的显微镜方法，能够显著可视化纳米结构及其光学属性。与纳米材料一起定制光 超材料是以纳米尺度设计的材料，展示了自然界中不存在的异常特性。这些独特特征源于其纳米尺度的组成部分，这些组成部分由于比光的波长更小而难以直接观察。研究小组成功解决了这一挑战，通过利用一种新的显微镜技术，可以同时揭示这些材料的纳米和宏观特征。 通往纳米世界的新窗口 这项研究的突出发现是方法学的进步，使得可视化曾经过于微小而无法使用传统显微镜检测的结构成为可能。通过创造性地操纵光，科学家们成功地将某种颜色的光“困住”在结构中，并与可以逃逸的另一种颜色混合，从而揭示隐藏的纳米尺度光学超材料。…

小行星普赛克显示出水的迹象：南西研究所团队的突破性发现

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利用来自美国宇航局詹姆斯·韦伯太空望远镜的数据，研究人员已经确认了金属小行星普赛克（Psyche）上存在氢氧根分子。这一水合矿物的发现暗示普赛克有着复杂的历史，对于理解当前正前往这一有趣小行星的美国宇航局航天器至关重要，该小行星在火星和木星之间的太阳轨道上运行。 利用来自美国宇航局詹姆斯·韦伯太空望远镜的数据，来自西南研究所的一个团队确认了金属小行星普赛克上存在氢氧根分子。水合矿物的检测表明普赛克有着复杂的历史，这对目前正在前往这一迷人小行星的美国宇航局航天器非常重要，该小行星在火星和木星之间沿太阳轨道运行。 普赛克直径约为140英里，属于主小行星带中最为庞大的天体之一。早期研究表明，普赛克是一种密度高、主要由金属构成的天体，可能是遭受过灾难性撞击的行星残余核心。2023年10月13日，美国宇航局发射了普赛克航天器，该航天器将跨越22亿英里，预计于2029年8月到达小行星。 “我们的研究利用观测不同波长红外光的望远镜，将与普赛克航天器所要研究的内容不同但互补的见解，”西南研究所的特雷西·贝克博士表示，他是最近在美国天文学会《行星科学杂志》上发表的论文的第二作者。 “我们对太阳系演化的理解与小行星成分的解释密切相关，特别是富含金属的M型小行星，”来自哈佛大学与史密森学会天体物理中心的首席作者斯蒂芬妮·贾马克博士解释道，她在西南研究所进行这项研究的大部分工作。“这些小行星最初被认为是分化的星子暴露出的核心，这一假设得到它们与铁陨石的光谱相似性的支持。”…

革命性的可持续化学加工：卤素键合在定向电化学分离中的力量

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一个研究团队成功展示了一种利用卤素键选择性电化学分离的方法。他们通过设计一种聚合物，使其在电流作用下改变卤素原子的电荷密度。该聚合物能够从有机溶液中选择性地吸引特定目标，例如卤化物、氧阴离子甚至有机化合物，这对制药和化工制造领域具有重要意义。 研究人员在可持续化学分离方面取得了重大进展，研发出一种新型聚合物，该聚合物在电激活时仅从溶液中吸引特定物质。 来自伊利诺伊大学香槟分校的研究团队在《JACS Au》期刊上发表了第一项基于卤素键驱动的选择性电化学分离的演示。他们设计了一种聚合物，当施加电力时，卤素原子的电荷密度会调整。因此，该聚合物可从有机溶液中仅吸引特定目标，例如卤化物、氧阴离子和某些有机分子，这一特性对于制药和化学合成过程可能带来很大帮助。 “化学分离类似于制作一个能够选择性吸收混合物中所需化学物质的海绵，”该项目负责人、化学与生物分子工程教授肖苏解释道。“虽然在某些应用中使用电化学分离，但确保仅吸收所需成分往往非常困难。在这项研究中，我们开发了可以视为分子层面的‘电海绵’，能够特定挑选混合物中的某些元素。”…

终极运动传感器：家庭安全的游戏规则改变者

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研究人员利用硅光子微芯片组件执行了一种称为原子干涉仪的量子传感方法，这种方法允许对加速度进行极其精确的测量。这一成就标志着在缺乏GPS信号的情况下，为导航目的创建一种量子罗盘的重要一步。 如果你检查智能手机、健身追踪器或虚拟现实设备，你会发现一个小的运动传感器，负责跟踪其位置和运动。更大、更昂贵的版本——大约有一颗葡萄柚那么大，并且精度明显更高——辅助导航船、飞机和其他有GPS支持的交通工具。 目前，科学家们正在努力增强运动传感器的精度，以减少国家对全球定位卫星的依赖。直到最近，这样的设备——敏感度比现有导航级传感器高出一千倍——需要一个移动卡车来携带。然而，最近的进展正在显著减小这项技术的尺寸和成本。 首次，一支来自桑迪亚国家实验室的团队成功利用硅光子微芯片组件实现原子干涉仪，这是一种高精度的加速度测量技术。这标志着在GPS信号缺失时开发量子罗盘的新里程碑。 该研究作为期刊Science…

旋转的科学：现代投球手如何智胜击球手

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研究人员开始揭示在板球中，几乎平行于地面投球如何导致击球手难以击中的极具挑战性的球。一组团队使用一种特殊的激流测量器具，由几个管子组成，来测量球后方的压力，并在风洞中研究以高达每分钟2500转的速度旋转的板球的气流。研究结果表明，低压区域在旋转球周围生长并增强，而这些区域在下游移动时会转移并减弱。在增加的旋转速率下，低压区域转变为一致的双叶形状。这项研究支持了现代投球技术利用马格努斯效应的理论。 赢得板球比赛的一个关键因素是智胜对方球队的击球手——考虑到投球手可以以近100英里每小时的速度投出板球，这是一项具有挑战性的任务。最近，一种越来越受欢迎的投球方法是保持几乎水平的手臂进行投球，如斯里兰卡球员拉西特·马林加和马提萨·帕西拉纳所著名展示的。这些投掷背后的空气动力学引起了体育物理学家的兴趣。 在AIP出版的期刊流体物理学中，研究人员开始揭示这种投球风格如何导致难以击中的球。法西尔等人利用风洞分析了近水平投球导致的球周围压力变化。 "板球运动员展示的独特和非常规投球技术引起了相当大的关注，特别强调了他们在比赛开始时使用新球的技巧，"作者基扎克凯兰·苏达卡兰·西达尔特说。"这些技术常常误导击球手，使这些投球手在比赛的所有阶段、几乎所有形式中都有效。" 板球在飞行中弯曲的程度和方式在很大程度上取决于球的旋转与操作雷诺数之间的关系——这是一个无量纲数，与流体密度、球的大小、空气速度和流体厚度相关。…

麻省理工学院研究人员利用大型语言模型识别复杂系统中的问题

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研究人员发现，大型语言模型（LLMs）可以有效地识别时间序列数据中的异常，而不需要通常所需的昂贵和复杂的训练设置。这项技术最终可能帮助技术人员识别设备（如风力涡轮机或卫星）中的潜在问题。 在一个风电场中检测到单个故障的涡轮机，可能涉及分析无数信号和数百万数据点，这类似于在干草堆中寻找针。 工程师通常用深度学习模型来解决这个复杂问题，这些模型旨在识别每个涡轮机随时间收集的时间序列数据中的异常。 然而，考虑到许多风力涡轮机每小时生成多个信号，训练深度学习模型来分析这些时间序列数据可以既昂贵又费时。此外，风电场的操作员可能缺乏必要的机器学习知识，而且模型在部署后可能需要重新训练。 麻省理工学院研究人员的一项最新研究表明，大型语言模型可以作为更有效和高效的时间序列数据异常检测器。值得注意的是，这些预训练模型可以立即实现，而无需大量额外的训练。…
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