2018年十大國(guó)際科技新聞解讀

49量子位超導(dǎo)測(cè)試芯片交付

又一家科技企業(yè)接近實(shí)現(xiàn)“量子霸權(quán)”目標(biāo)。

英特爾公司今年宣布，已成功設(shè)計(jì)、制造并交付49量子位超導(dǎo)測(cè)試芯片“Tangle Lake”，這一名字源于阿拉斯加湖泊，意指這些量子位需在極冷溫度等條件下工作，其將使研究人員能評(píng)估和改進(jìn)糾錯(cuò)技術(shù)，并模擬一些計(jì)算問(wèn)題。

計(jì)算界“新秀”——量子計(jì)算潛力巨大，當(dāng)前最好的超級(jí)計(jì)算機(jī)需數(shù)月或數(shù)年才能解決的問(wèn)題，比如藥物開(kāi)發(fā)、金融建模、氣候預(yù)報(bào)等，未來(lái)的量子計(jì)算機(jī)有望在較短時(shí)間內(nèi)解決。

“量子霸權(quán)”被認(rèn)為是量子技術(shù)發(fā)展史上的一個(gè)奇點(diǎn)?！傲孔影詸?quán)”指量子計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力超過(guò)傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)于傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的“霸權(quán)”。有觀點(diǎn)認(rèn)為，超過(guò)50（左右）量子位后，量子計(jì)算機(jī)的能力將一騎絕塵，令傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)望洋興嘆。目前，“量子霸權(quán)”已引英特爾、IBM和谷歌等巨頭競(jìng)折腰。IBM去年底宣布成功研制出一款50量子位處理器原型；谷歌也計(jì)劃很快推出49量子位產(chǎn)品。

理想很豐滿，現(xiàn)實(shí)卻很骨感，目前量子計(jì)算仍處于初期階段。業(yè)內(nèi)人士估計(jì)，量子計(jì)算離解決工程規(guī)模問(wèn)題或許還有5—7年；而要想具有商業(yè)實(shí)用價(jià)值，可能需要100萬(wàn)甚至更多量子位。

“實(shí)現(xiàn)霸權(quán)”的量子計(jì)算機(jī)將掀起怎樣的“腥風(fēng)血雨”？且拭目以待。

彎曲空間內(nèi)首次實(shí)現(xiàn)激光束加速

這是曲面加速光束的第一次演示，操作卻很簡(jiǎn)單，通過(guò)向白熾燈泡殼內(nèi)發(fā)射激光得以實(shí)現(xiàn)。

美國(guó)和以色列物理學(xué)家團(tuán)隊(duì)今年實(shí)現(xiàn)了光束軌跡偏移。此前，科學(xué)家已經(jīng)證實(shí)光束可以在平坦表面上被加速，加速度使其沿著彎曲而不是直線的軌跡行進(jìn)。新研究發(fā)現(xiàn)，被加速的光束也并非沿著測(cè)地線（又稱(chēng)大地線或短程線，可定義為空間中兩點(diǎn)的局域最短或最長(zhǎng)路徑）移動(dòng)，而是發(fā)生了偏移。

平面加速光束的軌跡，完全由光束寬度決定，而新研究表明，曲面加速光束的軌跡，由光束寬度和表面曲率共同決定。

這個(gè)看似“莫名奇妙”的實(shí)驗(yàn)，其實(shí)是突破性的，它擁有各種各樣的潛在應(yīng)用，其中之一就是模擬廣義相對(duì)論現(xiàn)象，以進(jìn)一步研究諸如引力透鏡效應(yīng)、愛(ài)因斯坦環(huán)、引力藍(lán)移或紅移等現(xiàn)象。此外，它還能提供一種新技術(shù)，用于控制血管、微通道和其他彎曲環(huán)境中的納米顆粒。

這僅僅是個(gè)開(kāi)始，這個(gè)聯(lián)合團(tuán)隊(duì)現(xiàn)已著手研究光線在極薄的彎曲膜中傳播的可能性。

兩層石墨烯旋疊可變超導(dǎo)體

根據(jù)1957年的超導(dǎo)電性理論，某些材料能夠以零電阻導(dǎo)電。然而，許多材料表現(xiàn)出所謂的非常規(guī)超導(dǎo)電性，無(wú)法用該理論解釋。

今年，美國(guó)麻省理工學(xué)院科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，當(dāng)兩層石墨烯以1.1度的“魔角”旋轉(zhuǎn)疊加在一起時(shí)，可模擬被稱(chēng)為銅酸鹽的銅基材料的超導(dǎo)行為。也就是說(shuō)，研究團(tuán)隊(duì)在兩層石墨烯中發(fā)現(xiàn)了新的電子態(tài)，其可以簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)絕緣體到超導(dǎo)體的轉(zhuǎn)變。

這種“神奇角度”石墨烯除了會(huì)形成超導(dǎo)態(tài)，還會(huì)形成另一種電子態(tài)。在同時(shí)發(fā)表的第二篇論文中，團(tuán)隊(duì)展示了交疊的雙層石墨烯系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)一種新的絕緣態(tài)——莫特絕緣體態(tài)。

兩個(gè)系統(tǒng)可以通過(guò)改變旋轉(zhuǎn)角度和電場(chǎng)來(lái)輕易調(diào)整。這意味著，該成果將提供一個(gè)全新的二維平臺(tái)，以供科學(xué)家們理解曾長(zhǎng)期困擾物理學(xué)界的高溫超導(dǎo)電性的起源問(wèn)題，并打開(kāi)了一扇研究非常規(guī)超導(dǎo)體的大門(mén)，同時(shí)也為全新電學(xué)性能的開(kāi)拓和工程化鋪平道路。

這一發(fā)現(xiàn)轟動(dòng)業(yè)界，被稱(chēng)為石墨烯超導(dǎo)的重大進(jìn)展。更令人驚訝的是，在傳說(shuō)中斃稿率高達(dá)90%的《自然》雜志上連發(fā)兩篇論文的第一作者，年僅22歲，他就是年輕的中國(guó)物理學(xué)家曹原。

“基因剪刀”首次讓皮膚細(xì)胞變身干細(xì)胞

2006年，格萊斯頓研究所的山中伸彌，用4種被稱(chēng)為轉(zhuǎn)錄因子的關(guān)鍵蛋白處理普通的皮膚細(xì)胞，制造出了誘導(dǎo)多能干細(xì)胞，標(biāo)志著未成熟的細(xì)胞能夠發(fā)展成所有類(lèi)型的細(xì)胞。在上述研究基礎(chǔ)上，格萊斯頓團(tuán)隊(duì)不使用轉(zhuǎn)錄因子，而是通過(guò)向細(xì)胞添加化學(xué)品混合物，制造出了誘導(dǎo)多能干細(xì)胞。

而在2018年的研究中，格萊斯頓團(tuán)隊(duì)提供了制造誘導(dǎo)多能干細(xì)胞的第三種方法——使用CRISPR基因調(diào)控技術(shù)，直接操縱細(xì)胞的基因組，將老鼠的皮膚細(xì)胞變成了誘導(dǎo)多能干細(xì)胞。新方法不僅有助于科學(xué)家更方便地獲得重要的細(xì)胞，也能進(jìn)一步了解細(xì)胞的重編程過(guò)程。

其實(shí)，誘導(dǎo)多能干細(xì)胞就像胚胎干細(xì)胞一樣具備分化成多種細(xì)胞的潛力，可用于修復(fù)受損的組織和器官。而“基因剪刀”則能精確查找一串代碼在基因組中的位置，進(jìn)行刪除或修改。

現(xiàn)在的新方法與之前的截然不同，可幫助人類(lèi)更簡(jiǎn)單快捷地制造出誘導(dǎo)多能干細(xì)胞，未來(lái)也能將皮膚細(xì)胞直接重編程為心臟細(xì)胞或腦細(xì)胞等，它為治療多種疾病提供了巨大助力。

科學(xué)家首次精確定位“幽靈粒子”起源

2017年9月，來(lái)自太空的一個(gè)高能中微子橫穿南極洲“冰立方”中微子天文臺(tái)，一石激起千層浪，科學(xué)家爭(zhēng)相為其追本溯源。今年7月，數(shù)十個(gè)科研團(tuán)隊(duì)在《自然》《科學(xué)》雜志撰文稱(chēng)，這個(gè)“落入凡間的精靈”可能源自一個(gè)距地球約37.8億光年的耀變體（Blazar）。耀變體是由星系中央的巨大黑洞吸積大量物質(zhì)而產(chǎn)生的劇烈天文現(xiàn)象。

科學(xué)家稱(chēng)，產(chǎn)生中微子的耀變體可幫助解決天文學(xué)的一個(gè)百年謎團(tuán)：不時(shí)拜訪地球的宇宙射線從何而來(lái)？

宇宙射線是由宇宙中的“爆發(fā)事件”拋射出的帶電粒子（主要是質(zhì)子），是自然界中能量最高的粒子。100多年來(lái)，科學(xué)家一直希望找到其源頭，但通過(guò)對(duì)其行進(jìn)路徑進(jìn)行反向追蹤不可能做到，因?yàn)樵诘诌_(dá)地球前，其飛行路徑已被地球磁場(chǎng)嚴(yán)重扭轉(zhuǎn)。

主要科學(xué)目標(biāo)是借助中微子尋找高能宇宙射線起源的“冰立方”天文臺(tái)此次立下大功。如果結(jié)果正確，那么，這個(gè)耀變體可能是宇宙射線首個(gè)“驗(yàn)明正身”的來(lái)源。

火星極地冰蓋下存在液態(tài)水

“沒(méi)有水，就沒(méi)有生命?！敝辽僭谀壳?，當(dāng)人們尋找地外生命時(shí)，這仍是圭臬。

2015年，火星勘測(cè)軌道飛行器告訴我們，紅色星球的溝壑，很可能是高濃度咸水流經(jīng)所產(chǎn)生的，這是火星存在流動(dòng)液態(tài)水“迄今最強(qiáng)有力證據(jù)”。但還不是實(shí)證。

直到今年，意大利科學(xué)家報(bào)告在火星上首度發(fā)現(xiàn)了一個(gè)地下鹽水湖，這座湖位于火星南極冰蓋之下，直徑約20千米。研究人員稱(chēng)，這是火星首次發(fā)現(xiàn)持久水體存在的痕跡，解決了關(guān)于紅色星球是否存在液態(tài)水的曠日持久的爭(zhēng)論。

這處水體的發(fā)現(xiàn)，不僅僅是增加了人們對(duì)火星上存在生命的期待。

從長(zhǎng)遠(yuǎn)角度來(lái)看，火星雖然溫度不太好、大氣不太足，但也不會(huì)像一些奇葩的星球那樣完全不可改造，且火星與我們距離適當(dāng)，表面積也與地球的陸地面積相當(dāng)，當(dāng)人類(lèi)考慮到移民外星球時(shí)，火星經(jīng)常是第一選擇?，F(xiàn)在，液態(tài)水的發(fā)現(xiàn)使這種情況變得更加可能。

從近處來(lái)說(shuō)，這對(duì)科學(xué)家利用冰蓋解讀火星氣候變化歷史十分關(guān)鍵，是未來(lái)數(shù)年天體生物學(xué)研究的科學(xué)目標(biāo)，同時(shí)，它也將是本世紀(jì)人類(lèi)登陸火星前，基地建設(shè)的最重要資源。

反氫內(nèi)基準(zhǔn)能量躍遷首次實(shí)現(xiàn)

物理學(xué)中最大的謎團(tuán)之一就是：反物質(zhì)去哪兒了？

裝配式構(gòu)筑以現(xiàn)場(chǎng)預(yù)制為主，基坑開(kāi)挖后即可吊至規(guī)定位置，然后快速地進(jìn)行基坑回填，以減少基坑開(kāi)挖后現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)間較長(zhǎng)帶來(lái)的一系列問(wèn)題。

物理定律表明，宇宙大爆炸產(chǎn)生的巨大能量應(yīng)該創(chuàng)造了等量物質(zhì)和反物質(zhì)。等量物質(zhì)和反物質(zhì)相遇，就會(huì)“同歸于盡”，但大爆炸之后到現(xiàn)在，宇宙仍充滿由物質(zhì)組成的各種天體。既然物質(zhì)還在，那反物質(zhì)去哪兒了？

氫原子最簡(jiǎn)單，所以反物質(zhì)研究由反氫原子開(kāi)始。

100多年前，科學(xué)家首次在氫原子內(nèi)觀察到其最基本、最重要的躍遷——萊曼-α（Lyman-alpha）躍遷，即當(dāng)氫原子的一個(gè)電子從低軌道轉(zhuǎn)移到高軌道時(shí)，會(huì)發(fā)出一系列紫外線輻射。

8月22日，加拿大和歐洲核子研究中心（CERN）的物理學(xué)家在《自然》雜志撰文稱(chēng)，他們首次在反氫原子內(nèi)實(shí)現(xiàn)并觀察到了萊曼-α躍遷，向冷卻和操縱反氫原子邁近了一步，有望開(kāi)辟反物質(zhì)科學(xué)的新時(shí)代。

操控反氫原子有何意義？從理論上來(lái)說(shuō)，500克反物質(zhì)產(chǎn)生的破壞比世界上最大的氫彈威力都要大，雖然科學(xué)家已能制造并抓獲反物質(zhì)，但其存在時(shí)間太短，且代價(jià)太過(guò)昂貴。反物質(zhì)如能操控，將能成為人類(lèi)用之不竭的新能源！

科學(xué)家造出全新光物質(zhì)形式

光學(xué)行為能“彎曲”物理規(guī)則嗎？

光子作為幾乎沒(méi)有質(zhì)量的基本粒子，是一種“超然”的存在——如果你把兩束激光相對(duì)，光子只會(huì)連個(gè)招呼都不打，互相穿過(guò)。但在2013年，麻省理工學(xué)院和哈佛大學(xué)的聯(lián)合團(tuán)隊(duì)，讓光子相互作用產(chǎn)生一種物質(zhì)形式，人們不知道它是什么，都說(shuō)這就像一個(gè)真實(shí)版的“光劍”——光束之間會(huì)彼此推拉產(chǎn)生對(duì)抗。

2018年，仍然是這個(gè)團(tuán)隊(duì)在《科學(xué)》上發(fā)表論文，宣布他們實(shí)現(xiàn)了三個(gè)光子之間相互作用，即粘在一起形成了此前未被觀察過(guò)的一種全新光子物質(zhì)。

研究人員發(fā)現(xiàn)，利用弱激光照射，它們不是作為單個(gè)、隨機(jī)分離的光子通過(guò)致密的超冷銣原子云，而是成對(duì)或者三個(gè)光子結(jié)合在一起——這表明在光子之間發(fā)生了相互作用。結(jié)合后的光子，實(shí)際上得到了電子質(zhì)量的一部分，這些有質(zhì)量的光粒子傳播速度變慢，比沒(méi)有相互作用的常規(guī)光子速度慢10萬(wàn)倍。

這個(gè)團(tuán)隊(duì)的“主業(yè)”，其實(shí)是量子計(jì)算機(jī)的研究。他們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果告訴人們，光子確實(shí)可以相互吸引或者彼此纏繞；并且，如果它們可以其他方式相互作用，那么未來(lái)一定會(huì)被用于超快的量子計(jì)算以及由光組成的復(fù)雜晶體中。

人類(lèi)探測(cè)器首次造訪小行星“貝努”

我是誰(shuí)？從哪里來(lái)？要到哪里去？人類(lèi)所有的追尋，都只不過(guò)是回答這三大“天問(wèn)”的嘗試。

我從哪里來(lái)？也就是生命如何起源的？傳說(shuō)約45億年前，太陽(yáng)系剛剛形成，地球還是一顆充滿熔巖的星球，恍如地獄。突然，一顆不知“鄉(xiāng)關(guān)何處”的小行星“誤入藕花深處”，闖入太陽(yáng)系，與地球進(jìn)行了一次猛烈的撞擊。這次撞擊引發(fā)的“蝴蝶效應(yīng)”可能帶來(lái)了有機(jī)物和水，為地球提供了孕育生命的關(guān)鍵條件。

小行星是約45億年前太陽(yáng)系形成時(shí)遺留下來(lái)的碎片。有科學(xué)家認(rèn)為，對(duì)小行星樣本進(jìn)行原子級(jí)分析有望為上述假說(shuō)提供重要證據(jù)。于是，2016年，美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）肩負(fù)重要使命的“源光譜釋義資源安全風(fēng)化層辨認(rèn)探測(cè)器”（OSIRIS-Rex）朝小行星“貝努”（Bennu）整裝出發(fā)了。

12月10日，NASA興奮地宣布，OSIRISRex發(fā)現(xiàn)小行星的巖石外表下暗藏著由氫分子和氧分子組成的羥基的蹤跡，這使直徑500米的“貝努”具有孕育生命的潛力，或許也蘊(yùn)藏著關(guān)于地球生命起源的線索。

2023年，探測(cè)器會(huì)將這些物質(zhì)的樣本送回地球，屆時(shí)，科學(xué)家將獲得與太陽(yáng)系歷史和演化有關(guān)的寶貴資料，幫助人類(lèi)進(jìn)一步認(rèn)識(shí)地球的過(guò)往與未來(lái)、更好地洞悉生命的起源。

嫦娥四號(hào)探訪月背

12月8日2時(shí)23分，中國(guó)的嫦娥四號(hào)乘坐長(zhǎng)征三號(hào)乙運(yùn)載火箭成功發(fā)射升空，將于明年1月進(jìn)行月球背面軟著陸和巡視勘察。如果成功，它將實(shí)現(xiàn)人類(lèi)歷史上首次在月球背面投放著陸器和月球車(chē)；同時(shí)也將實(shí)現(xiàn)國(guó)際首次地月拉格朗日L2點(diǎn)的測(cè)控和中繼通信。

誰(shuí)不曾仰望蒼穹星海，渴望窮盡宇宙的奧秘？月球這顆陪伴了地球40多億年的鄰居，自古以來(lái)就寄托了國(guó)人團(tuán)圓和滿之愿景，國(guó)人也因此對(duì)它多了一份感性。

但正如東漢王充在《論衡》中指出的：“濤之起也，隨月升衰?！庇捎谝Φ某毕i定效應(yīng)，月球只有一面朝著地球，從未有人見(jiàn)過(guò)月球背面，這給其蒙上了一層神秘面紗。且因?yàn)樵虑虮旧淼淖韪簦魏物w行器到達(dá)月球背面區(qū)域后會(huì)失去通信能力。

面對(duì)如此神秘的月之背，中國(guó)在今年5月成功發(fā)射了“鵲橋”中繼衛(wèi)星，為嫦娥四號(hào)探測(cè)器與地面測(cè)控站之間搭建了一座傳輸信號(hào)與數(shù)據(jù)的橋梁。

嫦娥四號(hào)此次背負(fù)著勘探艾特肯盆地——馮·卡門(mén)隕石坑的重要使命，該隕石坑被認(rèn)為是月球最古老的撞擊特征。而此次前所未有的太空探秘旅程，將為人類(lèi)了解月球、地球、太陽(yáng)系的演化提供第一手?jǐn)?shù)據(jù)和線索。

它也為太空探索注入了新的激情與活力。歐洲空間局（ESA）相關(guān)人員稱(chēng)，嫦娥四號(hào)著陸器和月球車(chē)預(yù)計(jì)會(huì)對(duì)月球的組成和歷史產(chǎn)生新的認(rèn)知，將是解開(kāi)月球奧秘的一個(gè)里程碑。

《科學(xué)》雜志稱(chēng)嫦娥系列任務(wù)“雄心勃勃”，是偉大的先鋒工程。