一場(chǎng)深度學(xué)習(xí)與超導(dǎo)量子計(jì)算的美麗邂逅 等

一場(chǎng)深度學(xué)習(xí)與超導(dǎo)量子計(jì)算的美麗邂逅

近年來，深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型已成為機(jī)器學(xué)習(xí)、人工智能的有力工具，在自動(dòng)駕駛、高效檢索、計(jì)算機(jī)視覺等領(lǐng)域大顯身手。深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的多層結(jié)構(gòu)被認(rèn)為是從復(fù)雜數(shù)據(jù)中提取有效特征的關(guān)鍵，反向傳播訓(xùn)練算法則能有效提升深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練效率。與此同時(shí)，量子機(jī)器學(xué)習(xí)領(lǐng)域也取得了重大進(jìn)展。理論上，已有研究證明在某些特定的分類任務(wù)中，量子機(jī)器學(xué)習(xí)模型相對(duì)于經(jīng)典機(jī)器學(xué)習(xí)模型具有指數(shù)級(jí)的加速優(yōu)勢(shì)。實(shí)驗(yàn)方面，隨著量子器件的快速發(fā)展，一些量子機(jī)器學(xué)習(xí)模型已在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上成功演示。

清華大學(xué)交叉信息研究院孫麓巖研究組與鄧東靈研究組合作，設(shè)計(jì)了一種可以在數(shù)字量子器件中實(shí)施的反向傳播算法，并在平面超導(dǎo)量子系統(tǒng)上成功演示了該模型的訓(xùn)練有效性和泛化能力。在該模型中，量子比特被分層排布，從而形成深度量子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的多層結(jié)構(gòu)；作用在相鄰層量子比特上的參數(shù)化量子線路構(gòu)成層間感知器。在正向運(yùn)行網(wǎng)絡(luò)的過程中，量子信息會(huì)通過量子感知器，由輸入層，經(jīng)過多個(gè)隱藏層，最終逐層傳遞到輸出層。在反向運(yùn)行網(wǎng)絡(luò)時(shí)，量子信息會(huì)逐層由輸出層傳遞到輸入層。

宇宙中漂浮的富勒烯“家族”，建數(shù)據(jù)庫了

20世紀(jì)80年代中期，天文學(xué)家在星際介質(zhì)中發(fā)現(xiàn)漂浮的復(fù)雜碳分子，比如60個(gè)碳原子結(jié)合、幾何形狀與足球相同的“巴克敏斯特富勒烯”。

星際未證認(rèn)紅外發(fā)射譜是一系列波長(zhǎng)處于3—20微米的分立的紅外譜帶。自1970年代天文學(xué)家首次在年輕富碳星NGC?7027中觀測(cè)到UIE譜以來，研究人員在包括原行星狀星云、行星狀星云、反射星云、銀河系彌散星際介質(zhì)、超新星遺跡和星爆星系等多種天體環(huán)境中都觀測(cè)到了UIE譜。其輻射能量約占銀河系紅外輻射能量的20%，足見UIE譜的載體物質(zhì)在星際環(huán)境大量廣泛存在。理解這些譜帶特征、確認(rèn)其載體物質(zhì)和演化對(duì)理解宇宙恒星形成歷史、星際化學(xué)、星系演化及生命起源具有重要意義，是天文學(xué)、天體物理和天體化學(xué)等領(lǐng)域一個(gè)非常重要的科學(xué)問題。

西安交通大學(xué)物理學(xué)院侯高壘教授聯(lián)合多個(gè)研究團(tuán)隊(duì)，利用自主發(fā)展的質(zhì)譜—光譜聯(lián)用實(shí)驗(yàn)技術(shù)，首次測(cè)量并得到氣相富勒烯-金屬復(fù)合物在6—25微米范圍的高分辨紅外譜，發(fā)現(xiàn)富勒烯-金屬復(fù)合物可潛在貢獻(xiàn)于星際未證認(rèn)紅外發(fā)射譜帶和彌散星際譜帶。

侯高壘教授團(tuán)隊(duì)將目前所有已報(bào)道的實(shí)驗(yàn)測(cè)量的C60、C60+、C60H+、C60O+、C60OH+、C70和C70H+等七種富勒烯物種的振動(dòng)頻率匯編為VibFullerene數(shù)據(jù)集。未來，隨著實(shí)驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展，研究人員希望進(jìn)一步擴(kuò)充、豐富VibFullerene數(shù)據(jù)集。該研究有助于認(rèn)識(shí)富勒烯等碳基分子在恒星演化中的潛在意義和價(jià)值，理解宇宙中的物質(zhì)循環(huán)，從而幫助完善宇宙演化模型，揭示宇宙生命起源。

這個(gè)手套能在人與機(jī)器之間架起“三道”橋梁

人機(jī)交互（Human?Computer?Interaction，HCI）是研究人與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)之間自然高效信息交換的原理與技術(shù)，可穿戴觸覺傳感界面是其重要組成部分，對(duì)于精確地控制設(shè)備、機(jī)器人或虛擬環(huán)境至關(guān)重要。因此，追求更高效的人機(jī)交互體驗(yàn)，就需要提高觸覺傳感界面的靈敏度和檢測(cè)范圍。高靈敏度使觸覺傳感界面能夠檢測(cè)細(xì)微的機(jī)械刺激，寬探測(cè)范圍則允許更通用的應(yīng)用場(chǎng)景。

近日，電子科學(xué)與技術(shù)學(xué)院陳忠教授/廖新勤副教授團(tuán)隊(duì)通過納米—微米—毫米三個(gè)維度的精心設(shè)計(jì)，開發(fā)了集成跨尺度仿生觸覺傳感界面的數(shù)據(jù)手套。該手套憑借優(yōu)異的壓力辨別能力，能夠充分利用指尖信息和多指協(xié)同，實(shí)現(xiàn)觸覺界面性能的精準(zhǔn)調(diào)控和全天候、靈活的人機(jī)交互。

把鈣鈦礦“骨架”填入單分子磁體，釋放“洪荒之力”

單分子磁體（SMMs）一般由多個(gè)或單個(gè)磁性金屬原子或離子形成核心，與周圍配體構(gòu)成配位分子，配位分子之間以弱化合鍵（如氫鍵）連接而成。在單個(gè)分子水平上呈現(xiàn)磁性雙穩(wěn)態(tài)，且相鄰分子間幾乎不存在磁性相互作用。這種特性克服了傳統(tǒng)無機(jī)磁性材料在疇尺寸上的限制，使得SMMs在高密度數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、分子自旋電子學(xué)器件、量子計(jì)算等領(lǐng)域具有應(yīng)用潛力。有機(jī)金屬鹵化物鈣鈦礦（OMHP）因其優(yōu)異的電學(xué)、光學(xué)等性質(zhì)，高度可調(diào)的晶體結(jié)構(gòu)，低廉的制備成本等優(yōu)勢(shì)，受到廣泛關(guān)注。

近日，中國(guó)科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國(guó)家研究中心的陳小龍研究員和金士鋒副研究員指導(dǎo)研究生柴聰聰構(gòu)造了一系列具有合適尺寸和價(jià)態(tài)的稀土基磁性分子，選取具有較大A位間隙的（H2dabco）CsCl3鈣鈦礦作為母體框架，成功合成了一系列插入不同稀土基團(tuán)的新的鈣鈦礦材料。研究人員還成功生長(zhǎng)了較大尺寸的單晶體。這種將SMMs材料容納進(jìn)入OMHPs框架中的材料設(shè)計(jì)方法，有望進(jìn)一步發(fā)展分子自旋電子學(xué)的研究。

野生祖先揭曉！水稻的身世之謎，終于弄清楚了

金秋送爽，轉(zhuǎn)眼又到一年秋收時(shí)，驕陽似火，稻谷飄香。水稻又稱亞洲稻，是人類重要的糧食作物之一，耕種與食用的歷史都相當(dāng)悠久，包括粳稻和秈稻兩個(gè)亞種。但關(guān)于水稻“身世”，其實(shí)一直撲朔迷離。目前存在兩種主流假說，即：一次起源和多次起源假說。前者推測(cè)水稻單次起源于中國(guó)的普通野生種；后者認(rèn)為，水稻不同亞種分別起源于不同的地理區(qū)域，粳稻起源于中國(guó)的普通野生稻，而秈稻則起源于南亞和東南亞的尼瓦拉野生稻。

中國(guó)科學(xué)院植物研究所葛頌研究組基于1578份水稻和野生稻樣本的重測(cè)序數(shù)據(jù)，采用一種新的分析策略探討了水稻的起源/馴化歷史，即在全基因組水平上通過分析馴化基因的起源來推斷水稻的野生祖先和起源地點(diǎn)。該研究首先厘清了水稻和野生稻的群體遺傳結(jié)構(gòu)和群體動(dòng)態(tài)歷史，明確水稻包括6個(gè)品種群以及兩種野生稻存在4個(gè)遺傳組分。

在此基礎(chǔ)上，研究人員通過全基因組掃描，鑒定到993個(gè)在indica和japonica中同時(shí)受到選擇的基因（馴化基因），進(jìn)而發(fā)現(xiàn)其中80%與來自中國(guó)的普通野生稻，其余20%起源于南亞和東南亞地區(qū)的尼瓦拉野生稻。這些馴化基因在水稻馴化過程中發(fā)生了持續(xù)的亞種間基因漸滲，因而共享在整個(gè)水稻的基因庫中。對(duì)36個(gè)知名馴化基因進(jìn)行單倍型網(wǎng)絡(luò)分析后，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，中國(guó)南部和印度北部是水稻的二個(gè)主要馴化中心，東南亞以及印度南部也可能是水稻的次級(jí)馴化地區(qū)。由此，就解答了水稻的身世之謎——水稻是多次起源/馴化的產(chǎn)物。

給“黑匣子”拍“X光片”，二維材料怎么“扭轉(zhuǎn)乾坤”

在扭轉(zhuǎn)電子學(xué)中，把二維材料垂直堆疊組成范德華同質(zhì)或異質(zhì)結(jié)構(gòu)后，類似石墨烯的扭轉(zhuǎn)界面不僅可出現(xiàn)在材料的表層，也可能內(nèi)嵌在材料內(nèi)部。面對(duì)這樣一個(gè)“黑匣子”，科學(xué)家可犯了難：對(duì)于此類材料，堆垛界面內(nèi)嵌在內(nèi)部，如何對(duì)其界面狀態(tài)進(jìn)行高分辨表征？這種內(nèi)嵌扭轉(zhuǎn)界面是否也會(huì)發(fā)生原子級(jí)重構(gòu)現(xiàn)象？它對(duì)整個(gè)材料性能影響如何？

針對(duì)這些問題，清華大學(xué)航天航空學(xué)院李群仰教授課題組發(fā)現(xiàn)探測(cè)二維材料堆垛結(jié)構(gòu)內(nèi)嵌界面的一種新方法，該方法簡(jiǎn)單、便捷且高分辨，類似于醫(yī)學(xué)檢測(cè)中的X光拍片。具體來看，課題組基于導(dǎo)電原子力顯微鏡的轉(zhuǎn)角二維材料界面表征和反演，通過簡(jiǎn)單的表面電導(dǎo)測(cè)試，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)扭轉(zhuǎn)層狀材料內(nèi)部堆垛結(jié)構(gòu)的探測(cè)和可視化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)于內(nèi)嵌在二維材料內(nèi)部的小扭轉(zhuǎn)角度界面，仍會(huì)出現(xiàn)顯著的原子級(jí)重構(gòu)現(xiàn)象；且即使當(dāng)扭轉(zhuǎn)界面處于材料內(nèi)部10個(gè)原子層深度的位置，原子重構(gòu)所導(dǎo)致的局部導(dǎo)電性擾動(dòng)仍在其表面電導(dǎo)上有所體現(xiàn)。研究成果對(duì)二維堆垛結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)研究以及新興的扭轉(zhuǎn)電子學(xué)的發(fā)展具有重要意義。

一塊小小的芯片里，竟藏著人體和宇宙飛行的秘密！

提到芯片，多數(shù)人都會(huì)想到電腦、智能手機(jī)中含有大量晶體管的集成電路。但說起器官芯片，就令人困惑了：難道是像科幻小說里寫的那種嵌在人體內(nèi)的硅基芯片？近期，隨著神舟十五號(hào)載人飛船返回艙在東風(fēng)著陸場(chǎng)成功著陸，陪同三位航天員一起返回地球的就有人體器官芯片。

器官芯片是一種體外仿生技術(shù)，指在體外構(gòu)建三維人體器官或組織微環(huán)境，可高仿真地模擬人體器官功能。此次東南大學(xué)蘇州醫(yī)療器械研究院、中國(guó)航天員科研訓(xùn)練中心、數(shù)字醫(yī)學(xué)工程全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、江蘇艾瑋得生物科技有限公司共同開發(fā)制作的太空血管組織芯片完成了國(guó)際上首次血管組織芯片在長(zhǎng)期微重力條件下的培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)。

該器官芯片是我國(guó)獨(dú)立自主研制，是我國(guó)第一次在軌實(shí)施器官芯片項(xiàng)目，也是國(guó)際首次在軌開展人工血管器官芯片研究，標(biāo)志我國(guó)成為世界上第二個(gè)具備在軌開展器官芯片研究能力的國(guó)家。通過開展太空器官芯片的設(shè)計(jì)研究，發(fā)展有效的對(duì)抗防護(hù)措施，對(duì)于保障長(zhǎng)期飛行后航天員的健康和圓滿完成航天飛行任務(wù)具有重要的意義。