技术

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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…

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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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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工业废气如何替代日常消费品中的化石燃料

工业废气长期以来被视为气候变化的主要来源,未来有望被捕获并转化为日常家居产品,如洗发水、洗涤剂,甚至燃料。 工业废气长期以来被视为气候变化的主要来源,未来有望被捕获并转化为日常家居产品,如洗发水、洗涤剂,甚至燃料。 由萨里大学的朱玛·萨杜克汉教授领导的一项新研究成功展示了将二氧化碳排放转化为关键化学成分的环境益处。作为Flue2Chem倡议的一部分,研究人员首次评估了将钢铁和造纸厂的废气转化为日常消费品的化学成分(表面活性剂)的整个生命周期。 这项研究发表在二氧化碳利用杂志上,发现该方法使造纸厂排放的全球变暖潜力(GWP)降低约82%,而钢铁工业降低近一半,相较于基于化石燃料的表面活性剂生产,突显了使英国更接近其净零目标的一个有希望的途径。 萨里大学研究与创新副院长、研究共同作者金璇教授表示:…

创造纪录带宽的微型组件

一种调制器现在已突破太赫兹标记。这种超快速组件能够在短时间内高效地将大量数据传输到光纤网络中。 等离子体调制器是将电信号转换为光信号的微小组件,以便通过光纤进行传输。这种类型的调制器从未成功传输超过太赫兹(每秒超过万亿次振荡)频率的数据。现在,苏黎世联邦理工大学光子学和通信教授Jürg Leuthold领导的研究小组成功地做到了这一点。之前的调制器只能转换频率高达100或200千兆赫兹——换句话说,频率低五到十倍。 这种类型的调制器可以在传输大量数据的地方使用,作为电气世界与光传输数据之间的桥梁。“数据最初总是以电形式存在,而如今,其传输在某种程度上总是涉及光纤,”Leuthold教授解释道。 下一代移动通信(6G)将在太赫兹频率范围内运行。其骨干网——基站之间的电缆——依赖于光纤技术。“我们的调制器可以直接且高效地将无线信号和其他电信号转换为光信号,”参与该组件博士论文研究的Yannik…

科学家利用光解锁原子的秘密

研究人员开发了创新的方法,通过使用特殊结构的光束来控制原子和分子的电离,挑战了传统的限制。这一突破可能会推动成像、粒子加速和量子计算的进展,通过精确控制原子中的电子喷射。 来自渥太华大学的一支研究团队在理解原子和分子电离方面取得了重要进展,这是一种在物理学中具有基本过程,在包括X射线生成和等离子体物理等多个领域都有影响。 想想原子——我们周围一切的构建块。有时,它们会失去电子,变成带电粒子(即电离)。这种情况发生在闪电、等离子电视甚至北极光中。直到现在,科学家们认为他们只能以有限的方式控制这一过程。 此次研究由渥太华大学物理系的全职教授Ravi Bhardwaj和博士生Jean-Luc…

银河系尘埃详细地图

天文学家们已经绘制出我们家园银河系中宇宙尘埃特性的第一幅详细三维地图。在制作这幅地图时,天文学家们使用了来自欧洲航天局(ESA)盖亚任务的1.3亿个光谱、LAMOST光谱调查的结果以及机器学习技术。尘埃会使遥远的天文物体看起来更加红色和更暗淡,因此这幅新地图将成为天文学家们理解他们观察结果的重要工具。这项研究还揭示了宇宙尘埃的异常特性,这将引领进一步的研究。 来自马克斯·普朗克天文学研究所的天文学家们绘制出了我们家园银河系中宇宙尘埃特性的第一幅详细三维地图。在制作这幅地图时,天文学家们使用了来自欧洲航天局(ESA)盖亚任务的1.3亿个光谱、LAMOST光谱调查的结果以及机器学习。尘埃会使遥远的天文物体看起来更加红色和更暗淡,因此这幅新地图将成为天文学家们理解他们观察结果的重要工具。这项研究还揭示了宇宙尘埃的异常特性,这将引领进一步的研究。 当我们观测遥远的天体时,可能会面临一个问题:我观察的那颗星星,真的像它看起来那么红吗?还是说这颗星星看起来只有红色,因为它的光线必须穿过一团宇宙尘埃才能到达我们的望远镜?为了准确观测,天文学家需要知道他们与遥远目标之间的尘埃量。尘埃不仅会使物体看起来更红("变红"),还会使物体看起来比实际更暗("灭绝")。这就像我们通过一扇肮脏的窗户看向太空一样。现在,两位天文学家发布了一幅三维地图,详细记录了我们周围尘埃的特性,帮助我们理解所观察到的内容。 在这背后,幸运的是,在观察星星时,有一种方法可以重建尘埃的影响。宇宙尘埃颗粒在所有波长上并不均匀地吸收和散射光。相反,它们在较短波长(接近蓝色光谱端)处吸收光的力度更强,在较长波长(接近红色光谱端)处则吸收得较弱。这种波长依赖关系可以绘制成“灭绝曲线”,其形状提供了关于尘埃成分的信息,还可以了解其局部环境,例如星际空间各区域中辐射的数量和特性。 从1.3亿个光谱中提取尘埃信息…

更快地阅读磁态–在远红外中

随着今天数据传输速率仅有几百兆字节每秒,访问数字信息仍然相对较慢。初步实验已经显示出一种有前景的新策略:可以通过短电流脉冲读取磁态,最近发现的自旋电子学效应在专门构建的材料系统中可能消除以往的速度限制。研究人员目前正在提供这种超快数据源可行性的证据。它们使用的是超短的太赫兹光脉冲,而不是电脉冲,从而使得在皮秒内读取磁结构成为可能。 如今,单个现代硬盘可以存储几百万兆字节——提供足够的存储空间来保存数十万张照片。这些多千兆字节硬盘依赖于微小的磁结构。然而,数据传输速率仅为几百兆字节每秒,访问这些数字信息仍然比较慢。初步实验已经显示出一种有前景的新策略:可以通过短电流脉冲读取磁状态,最近发现的自旋电子学效应在专门构建的材料系统中可能消除以往的速度限制。德累斯顿-罗斯托克赫尔默茨中心(HZDR)和多特蒙德大学的研究人员现在正在提供这种超快数据源可行性的证据。它们使用的是超短的太赫兹光脉冲,而不是电脉冲,从而使得在皮秒内读取磁结构成为可能。该团队在《自然通讯》期刊上发表了研究结果。 “我们现在可以通过光诱导的电流脉冲更快速地确定材料的磁方向,”HZDR辐射物理研究所的Jan-Christoph Deinert博士解释道。在他们的实验中,物理学家和他的团队使用的是人眼不可见的光——即所谓的太赫兹辐射。这种光的波长刚好低于一毫米,位于电磁光谱中的红外辐射和微波辐射之间。这种光的来源是HZDR的ELBE辐射源,研究人员可以生成极短和强度极大的太赫兹脉冲。这被证明非常适合于分析薄膜材料样品的磁化情况。 样品由两层极薄的叠加层组成。对于下层,研究人员选择了一种由钴或铁镍合金等元素制成的磁性材料。上层则由铂、钽或钨等金属构成。这些金属层的厚度均不超过三纳米。“当层的厚度如此薄时,只有部分太赫兹辐射能够穿透材料,”Deinert解释道。这种部分透明性是能够读取下层磁化的一个重要前提。…

捕捉芳香性的瞬间:直接实时追踪“激发态芳香性”如何驱动分子形状变化

科学家们首次实时可视化了“激发态芳香性”如何在短短几百飞秒内出现,然后触发分子在几皮秒内从弯曲结构转变为平面结构。通过结合超快电子和振动光谱学,研究团队捕捉到了这些瞬时结构变化,并显示出芳香性在结构平面化之前出现,并随后驱动平面化。他们的发现为设计更高效的光活性材料奠定了基础,如传感器和光驱动分子开关,从而利用激发态芳香性的力量。 首次,由分子科学研究所/综合开发大学的副教授倉持光主领导的研究人员直接追踪到了激发态芳香性如何在几百飞秒内出现,并随后驱动分子在皮秒尺度上从弯曲形状改变为完全平面形状。 芳香性是化学中一个基础概念,描述了电子去局域化的环状分子所具有的增强稳定性。尽管多数讨论集中于基态分子,但“激发态”芳香性的概念最近被广泛应用于预测结构变化和设计由光激发引起的化学反应性。虽然激发态芳香性的动态特性在过去得到了大量研究,但这些研究主要集中在“接近平衡状态”的分子上,导致激发态芳香性与结构变化之间的精确时机和相互作用尚未被充分理解。直接可视化这些超快速运动对于设计光活性材料(如传感器、粘合剂和开关)至关重要。 研究团队使用了一种结合飞秒瞬态吸收和*时间分辨冲动激发拉曼光谱*(TR-ISRS)的方法——这是一种先进的“时间域”拉曼技术,覆盖了从太赫兹到3000 cm⁻¹的振动频率,具有飞秒时间分辨率——捕捉了一种新合成的基于环辛四烯(COT)的“拍打分子”TP-FLAP的超快快照。通过使用飞秒激光脉冲激发TP-FLAP,然后探测其演变的振动信号,他们能够准确地看到分子的中心COT环何时以及如何趋于平面化。使用¹³C对中心环进行同位素标记,研究人员确认了伴随从弯曲到平面的转变的特定振动模式。…

分子马达在行动:可视化α-环糊精沿聚合物链的运动

想象一下一个微型机车在轨道上来回移动,自我驱动而无需任何外部力量。在分子层面,这一概念构成了分子马达的基础——复杂的系统,可以使先进材料、靶向药物递送和纳米级机器人发展成为可能。 多伪轮轴,其中α-环糊精(α-CD)环在聚乙烯醇(PEG)链上穿梭,是分子机器的有前途候选者。然而,它们的分子动力学仍不清晰。研究人员现在使用快速扫描原子力显微镜(FS-AFM)可视化了α-CD环沿PEG链移动。这一突破确立了FS-AFM作为分析超分子聚合物的强大工具,并为设计高效的分子马达铺平了道路。 想象一下一个微型机车在轨道上来回移动,自我驱动而无需任何外部力量。在分子层面,这一概念构成了分子马达的基础——复杂的系统,可以使先进材料、靶向药物递送和纳米级机器人发展成为可能。 受自然分子机器的启发,自1994年首次合成分子机器以来,科学家们一直在开发人工对应物。这项研究迅速进展, culminat…

解锁量子硬件中相变的秘密

研究人员取得了显著成果:捕捉和研究量子硬件中的相变,这为下一代技术,如量子计算和超灵敏传感器,带来了希望。 相变,如水冻结成冰,是我们世界中一个熟悉的部分。然而在量子系统中,它们可能表现得更加戏剧化,海森堡不确定性等量子特性发挥着核心作用。此外,各种伪影效应会导致系统失去或消散能量到环境中。当它们发生时,这些“耗散相变”(DPTs)将量子系统推向新的状态。 DPTs有不同类型或“秩序”。一阶DPTs就像翻开开关,导致状态之间的急剧跳跃。二阶DPTs则较为平滑,但仍具有变革性,以微妙而深刻的方式改变系统的一个全局特征,称为对称性。 DPTs对理解量子系统在非平衡条件下的行为至关重要,此时基于热力学的论证往往无法提供答案。除了纯粹的好奇心之外,这对构建更稳健的量子计算机和传感器具有实际意义。例如,二阶DPTs可以增强量子信息存储,而一阶DPTs揭示了系统稳定性和控制的重要机制。 理论上,DPTs被预测具有特定特性,如减缓和双稳态,并在特定幂律尺度上发生。迄今为止,观察它们一直是一个重大的科学难题——尤其是二阶DPT。…

TOI-1453: 两颗系外行星系统中的亚海王星

天文学家在TOI-1453周围发现了两个系外行星,这颗星星距离地球约250光年。这两个系外行星,一个是超级地球,另一个是亚海王星,在银河系中很常见,但在我们的太阳系中却缺失。这个发现为未来大气研究铺平了道路,以更好地理解这些类型的行星。 天体物理学家再次通过一个新发现丰富了我们对宇宙的知识:两个小行星围绕TOI-1453旋转。该星位于离地球约250光年的天龙星座,是一个双星系统的一部分(两个星体彼此绕转),其温度略低且比我们的太阳小。在这颗星周围有两个行星,一个是超级地球,另一个是亚海王星。这些是我们自己太阳系中缺失的行星类型,但矛盾的是,它们构成了银河系中最常见的行星类别。这个发现揭示了一种行星构型,可以为行星的形成和演化提供有价值的线索。 研究人员利用NASA的过境系外行星勘测卫星(TESS)和HARPS-N高分辨率光谱仪的数据,确认了围绕TOI-1453旋转的两颗系外行星:TOI-1453 b和TOI-1453 c。“这两颗行星在特征上呈现出有趣的对比,”列日大学的天体物理学家、论文的第一作者Manu…

旋转的扭曲光可能为下一代电子设备提供动力

研究人员在有机半导体领域解决了一个存在几十年的挑战,为电子学的未来开辟了新的可能性。研究人员创造了一种有机半导体,使电子以螺旋模式移动,这可能提高电视和智能手机屏幕中OLED显示的效率,或为下一代计算技术如自旋电子学和量子计算提供动力。 研究人员在有机半导体领域解决了一个存在几十年的挑战,为电子学的未来开辟了新的可能性。 这项研究由剑桥大学和埃因霍温科技大学领导,研究人员创造了一种有机半导体,使电子以螺旋模式移动,这可能提高电视和智能手机屏幕中OLED显示的效率,或为下一代计算技术如自旋电子学和量子计算提供动力。 他们开发的半导体发出圆极化光,意味着光携带了关于电子“手性”的信息。大多数无机半导体(如硅)的内部结构是对称的,这意味着电子在其内部通过时没有优先方向。 然而,在自然界中,分子往往具有手性(左手或右手)结构:就像人类的手,手性分子是彼此的镜像。手性在生物过程中(如DNA形成)中起着重要作用,但在电子学中捕捉和控制手性是一个困难的现象。…

科学家开发了太阳能驱动的方法,将污泥转化为绿色氢气和动物饲料

科学家们开发了一种创新的太阳能驱动方法,将污水污泥——废水处理的副产品——转化为绿色氢气,用于清洁能源和单细胞蛋白质,用于动物饲料。 新加坡南洋理工大学的科学家们开发了一种创新的太阳能驱动方法,将污水污泥——废水处理的副产品——转化为绿色氢气,用于清洁能源和单细胞蛋白质,用于动物饲料。 这一方法发表在《自然水》杂志上,污泥转化为食品和燃料的方法应对了两个紧迫的全球挑战:管理废物和生成可持续资源。这与南洋理工大学解决人类最大挑战的目标相一致,例如气候变化和可持续性。 联合国估计,到2050年,将有大约25亿人生活在城市中。随着城市和工业的发展,污水污泥的增加伴随而来,由于其复杂的结构、成分和重金属及病原体等污染物,使其处理和处置 notoriously困难。…

边缘的激动时刻

研究人员已经证明,磷烯纳米带(PNRs)在室温下表现出磁性和半导体特性。该研究将PNRs确立为一种独特的低维材料类别,对传统磁性半导体的观点提出了挑战,并可能为解锁新的量子技术提供了一个起点。 研究人员首次证明,磷烯纳米带(PNRs)在室温下表现出磁性和半导体特性。该研究由剑桥大学牵头,与国际同事合作,确立了PNRs作为一种独特的低维材料类别,挑战了传统磁性半导体的观点,并可能为解锁新的量子技术提供一个起点。 科学家们长期怀疑,磷烯纳米带(PNRs)——薄薄的黑磷片,宽度仅为几纳米——可能表现出独特的磁性和半导体特性,但证明这一点一直很困难。在最近发表在《自然》期刊上的研究中,研究人员专注于探讨这些纳米带的磁性和半导体特性。通过使用超快磁光谱学和电子顺磁共振等技术,他们能够在室温下演示PNRs的磁性行为,并展示这些磁性特性如何与光相互作用。 该研究在卡文迪许实验室进行,并与包括华威大学、伦敦大学学院、柏林自由大学和奈梅亨欧洲高磁场实验室在内的其他机构合作,揭示了磷烯纳米带的一些关键发现。值得注意的是,这些纳米带在室温下表现出宏观的磁性特征。在相对较弱的磁场(