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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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行星形成的连锁反应

最近的射电天文学研究表明,正在形成的行星系统显示,一旦初始行星在中心恒星附近发展,这些行星可以引导物质在更远的距离上形成额外的行星。本质上,每个新形成的行星都能促进下一个行星的形成,类似于多米诺骨牌的连锁反应。 迄今为止,已经发现了超过5000个行星系统,其中超过1000个确认包含多个行星。行星起源于被称为原行星盘的气体和尘埃云,这些云围绕着年轻恒星。然而,多行星系统(类似于我们的太阳系)形成的过程仍然不太清楚。 研究多行星系统形成的一个关键目标是一颗名为PDS 70的年轻恒星,距离地球367光年,位于仙座中。该恒星是独特的,因为它是唯一通过光学和红外观测确认在原行星盘中存在已形成行星的天体(ESO的VLT捕获的第一个确认的新生行星图像)。早期来自阿塔卡马大型毫米/亚毫米波阵列(ALMA)的射电波观测在两个已知行星的轨道外探测到一圈尘埃粒子,但这些观测没有揭示环内的更细节。 当前的研究由Kiyoaki…

革命性二氧化碳减排:配体工程铜纳米簇的承诺

我们可能在期待一个更光明的空气质量未来,这要感谢铜纳米簇,它们可能通过电化学过程帮助我们减少碳排放。 尽管铜(Cu)没有黄金或白银那样光辉的形象,但它的惊人适应性使其在先进研究中不可或缺。来自东北大学、东京理科大学和阿德莱德大学的科学家共同揭示了一种革命性的技术,以提高电化学CO2还原方法的选择性和可持续性。通过在原子级别上操纵铜纳米簇(NCs)的表面,这个团队为更有效和环保的碳转化技术打开了大门。这一进展不仅突显了铜在可持续化学中的变革能力,还强调了全球合作在应对碳排放等紧迫问题上的重要作用。 这些研究结果于2024年12月4日发表在Small上。 电化学CO2还原反应(CO2RR)因其将过量的气态CO2转化为有用产品的能力,最近备受关注。在众多研究的纳米催化剂中,NCs因其相比于较大纳米颗粒的独特优势而脱颖而出。在这一组中,铜NC展示了显著的潜力,能够在保持高催化效率和可持续性的同时形成多种产品。然而,实现行业规模上对产品选择性的精确控制存在挑战。因此,目前的研究集中在改善这些特性,以最大化铜NC在可持续CO2转化中的有效性。 东北大学的根岸雄一教授表示:“为了实现这一重大突破,我们的团队需要在原子水平上调整NCs。这相当困难,因为NCs的形状在很大程度上依赖于我们需要修改的特定组分。这就像试图移动结构的一个关键支撑梁。”…

革命性设备将空气转化为基本肥料成分,显著减少碳足迹

一种突破性的原型设备引入了一种新颖的氨气制造方法,氨是肥料中的关键元素,可能会彻底改变一个大约占全球温室气体排放三分之一的行业。 我们的氛围为增强可持续农业提供了一个有希望的解决方案。斯坦福大学和沙特阿拉伯法赫德石油和矿业大学的研究人员创建了一个原型,该原型通过利用风能将空气通过一种特殊的网状结构来生成氨——这一重要的肥料成分。如果这种方法得到改善,它可以取代一种已有一个世纪历史的通过在极高温度和压力下混合氮和氢来合成氨的做法。这种传统方法使用了世界上2%的能源,并因依赖天然气而释放出大约1%的年度二氧化碳。 这项研究的发现于12月13日发表在Science Advances上,展示了该技术在现实世界环境中的应用,而不仅仅是在实验室中。研究人员希望最终将这一设备整合到灌溉系统中,让农民能够直接从空气中生产肥料。 “这一进展使我们能够以可持续的方式利用我们大气中的氮来制造氨,”研究的高级作者之一、斯坦福大学人文与科学学院教授理查德·扎尔(Richard…

革命性的可持续聚合物电解质为燃料电池铺平了高温、低湿度应用和净零碳愿景的道路

一组研究人员创造了一种创新设计,用于燃料电池中使用的电解质。这种新材料符合环境标准,即使在极端条件下也表现出适度的导电性,其导电水平是传统交联磺酸聚苯乙烯材料的四倍。他们的研究在推进下一代燃料电池的发展和帮助实现净零碳目标方面发挥了至关重要的作用。 由日本名古屋大学的野嶋敦志(Atsushi Noro)领导的研究团队,公布了一种开创性的燃料电池电解质设计,该设计采用了增强了碳氢间隔物的磷酸聚合物。这一新设计使燃料电池能够在高温(超过100°C)和低湿条件下高效运行,从而克服其广泛应用的重大障碍。他们的研究结果已在《ACS应用聚合物材料》期刊上发表。 燃料电池通过电化学方式将氢和氧结合产生电力,仅排放水作为副产品,这突显了它们作为清洁能源来源的潜力。然而,常规使用的全氟磺酸聚合物——一种全氟及多氟烷基物质(PFAS)的类别,正面临批评。PFAS的环境影响及其在生物体内的累积倾向已导致各国采取监管行动。 与PFAS相比,磷酸碳氢聚合物不含氟,这降低了它们在环境中持久存在的可能性。这些聚合物在高温和低湿环境下也表现出适度的化学稳定性。然而,磷酸基团的亲水特性以及较差的导电性等挑战,可能限制其应用并存在于潮湿环境中溶解的风险。…

人工智能图像工具揭示野生动物秘密以应对气候变化

一项新开发的用于图像分析的人工智能工具有潜力增强检查野生动物照片的算法,为全球物种如何应对气候变化提供见解,这来源于一项最新研究。 一项新开发的用于图像分析的人工智能工具有潜力增强检查野生动物照片的算法,为全球物种如何应对气候变化提供见解,这来源于一项最新研究。 这一进展将使科学家能够开发能够快速和全面分析每年公众上传的大量野生动物图像的人工智能驱动算法。 根据研究人员的说法,这些工具可以揭示有关气候变化、污染、栖息地退化以及其他影响成千上万动物和植物物种的挑战的重要信息。 公民科学平台作为有关各种物种如何应对气候变化的重要数据来源。然而,尽管当前的人工智能算法能够识别提交图像中的物种,但尚不清楚它们是否能够提取更多的信息。…

利用桌面精密激光器进行芯片尺度的量子科学研究

  激光对于需要极其精确的测量和原子控制的实验至关重要,如双光子原子钟、冷原子干涉仪传感器和量子门。激光光的纯度(发出单一频率)直接影响这些实验的有效性,目前,传统实验室级激光设备通过大型且昂贵的系统在非常有限的光谱范围内发射光子,从而实现可靠的低噪声光。 想象一下,如果这些原子技术能够从实验室转移到便携设备中。这是加州大学圣巴巴拉分校工程教授丹尼尔·布伦特哈尔团队的目标,他们正在努力在更小的手持设备中复制这些激光的能力。 布伦特哈尔实验室的研究生安德烈·伊西琴科解释道:“这些紧凑型激光器将为真正的量子系统创造可扩展的解决方案,以及可便携、现场部署和基于空间的量子传感器。这一进展将大大影响量子计算和中性原子、被捕获离子等技术领域,以及原子钟和重力计等冷原子量子传感器。” 在《科学报告》期刊的一刊中,布伦特哈尔及其团队透露了他们在780纳米波长下的芯片级超低线宽自注锁定激光器的进展。该设备与火柴盒的大小相当,据称优于现有的狭线宽780纳米激光器,同时生产成本更低,占用空间更小。…

突破性化学结构革命性提升碳捕集效率

研究人员创造了新的分子,可以高效地从大气中捕获大量二氧化碳,这是应对气候变化的关键步骤。 俄勒冈州立大学的研究人员开发了创新分子,能够迅速从空气中捕获大量二氧化碳,这是解决气候问题的关键策略。 这项研究集中在过氧化钛上,基于之前对过氧化钒的研究。这项研究是一个重要的联邦计划的一部分,旨在开发新技术和材料以进行直接空气捕获 (DAC) 的二氧化碳,这些二氧化碳是通过化石燃料燃烧释放的。…

突破性技术以减轻人工智能模型中的偏见,同时提高准确性

研究人员创建了一种新的人工智能去偏见技术,旨在提高机器学习模型的公平性。该方法专门提升了训练数据集中代表性不足的子群体的表现,确保整体准确性得以保持。 机器学习模型在预测未在其训练数据集中得到充分代表的个体的结果时,往往会遇到问题。 例如,如果一个模型主要基于男性患者的数据来确定一种慢性病的最有效治疗方法,那么在临床环境中,它可能难以为女性患者做出准确的预测。 为了解决这个问题,工程师有时会试图通过消除数据点来平衡训练数据集,以便所有子群体得到同等代表。然而,这种平衡行为往往需要删除大量数据,可能会对模型的整体有效性产生负面影响。 麻省理工学院的研究人员开发了一种新技术,该技术能够识别并消除训练数据集中导致模型在少数族裔子群体上表现不佳的特定数据点。通过删除的数据信息少于传统方法,这种技术能够在保持模型整体准确性的同时,提升其在代表性不足群体中的表现。…

革命性的能源储存:锌基可充电电池的前景

可充电锂离子电池对于许多现代设备至关重要,从电动汽车到可穿戴科技。然而,最新研究表明,基于锌的电池可能提供更可持续和经济实惠的替代方案。 可充电锂离子电池为从电动汽车到可穿戴设备的所有事物提供动力。但来自凯斯西 Reserve 大学的新研究表明,更可持续和具有成本效益的替代方案可能在基于锌的电池中。 最近发表在Angewandte…

四股β-折叠的精密工程革命性进展

研究人员开发的一种新方法可以通过金属-肽配位精确创建四链β-折叠,东京科学研究所的科学家报告了这一成果。这项前沿技术解决了与控制β-折叠形成相关的持续性问题,如纤维聚集和最终产品中不希望出现的异构体变异。这些进展可能显著提高在生物技术和纳米技术领域对β-折叠的探索和应用。 研究人员开发的一种新方法使得可以通过金属-肽配位精确构建四链β-折叠,东京科学研究所的专家报道称。这一创新技术解决了与控制β-折叠形成相关的持续性问题,例如纤维聚集和最终产品中的不规律异构体变异。这一进展可能显著推动β-折叠在生物技术和纳米技术中的研究和应用。 除了构建蛋白质的氨基酸的自然序列外,三维组织对其功能至关重要。例如,β-折叠是通过相邻肽链之间的氢键形成的平坦结构,对于蛋白质的稳定性和折叠至关重要。它们也与多种神经退行性疾病有关,包括阿尔茨海默病。另一方面,工程化β-折叠在生物技术、医学和纳米材料科学中提供了潜在的好处。 然而,创造具有特定数量肽链的β-折叠组合面临重大的挑战,主要有两个原因。首先,多链β-折叠常常团聚成称为纤维的聚集体,这可能导致其不溶性,从而改变或消除其生物功能。第二,当肽链在β-折叠生产过程中组装时,可能会形成众多结构异构体。因此,生产的组合体往往表现出不可预测的肽链取向、排列或数量,使得目标化合物的创建变得复杂。因此,生成定制β-折叠的新方法是必要的。 在2024年10月22日发表在Angewandte…

量子控制突破:研究人员利用新能量范围调控量子状态

一个国际研究团队在控制氦原子内的混合电子-光子量子态方面取得了重要进展。这个进步得益于生成强烈的极紫外辐射脉冲。这种方法不仅允许探索各种原子和分子中的量子力学现象,还提供了一种管理化学反应的手段。 由弗赖堡大学物理研究所的助理研究组长卢卡斯·布鲁德博士领导,一个国际科学家团队成功创建并直接控制了氦原子中的混合电子-光子量子态。他们通过在意大利的的里雅斯特的FERMI自由电子激光器生成专门制作的高强度极紫外光脉冲实现了这一点。研究人员利用了一种创新的激光脉冲塑形技术来操控这些混合量子态。他们的研究成果已发表在《自然》杂志上。 强烈的光场可以产生新的量子态 与原子结合的电子只能具有特定的能量水平,主要由原子自身决定。然而,当一个原子暴露在强激光下时,这些能量水平可以发生偏移,从而形成混合电子-光子态,也称为“伪装态”。这些状态在激光强度达到每平方厘米十到一万亿瓦特的范围时出现。为了创造和控制这些独特的量子态,需要在仅仅几万亿分之一秒的短时间内实现这些高强度的激光脉冲。 利用自由电子激光器产生极紫外辐射…

通过固态处理将金属废料转化为优质合金

固相制造有潜力通过一种被称为固相合金化的革命性技术开发定制金属合金,正如最近的研究发现所表明的。 根据能源部太平洋西北实验室研究人员进行的一项新研究,金属废料可以有效转化为高性能、宝贵的合金,而无需依赖传统的熔炼方法。 本研究发表在本周的《自然通讯》期刊上,展示了来源于工业废弃物的铝废料可以用来制造高性能金属合金。回收铝的性能与新铝制成的材料相媲美,表明这一方法为提高高质量回收金属产品的可用性提供了一种具有成本效益的解决方案。通过将废物转化为耐用的铝制品,固相合金化方法不仅提高了材料性能,还有助于环境可持续性。 PNNL的材料科学家也是本研究的主要作者肖力表示:“我们的研究具有创新性,因为我们可以通过将特定金属元素添加到铝屑中,在五分钟或更短的时间内,将低成本废物转化为高价值产品。” 固相合金化技术在几分钟内迅速将混合了铜、锌和镁的铝废料转化为高强度铝合金,这比传统工艺(如熔炼、铸造和挤压)所需的数天时间大大减少。该团队利用名为剪切辅助加工和挤压(ShAPE)的专利方法来实现这些结果。然而,他们强调,其他固相制造技术也应能复制他们的发现。…