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新型芯片開啟光速AI計算之門

科技日報2月17日報道，美國賓夕法尼亞大學(xué)工程師開發(fā)了一種新型芯片，它使用光而不是電來執(zhí)行訓(xùn)練人工智能（AI）所必需的復(fù)雜數(shù)學(xué)運算。該芯片有可能從根本上加快計算機的處理速度，同時還可降低能源消耗。相關(guān)研究發(fā)表在最新一期《自然·光子學(xué)》上。

該芯片首次將本杰明·富蘭克林獎?wù)芦@得者納德·恩赫塔在納米尺度上操縱材料的開創(chuàng)性研究與硅光子（SiPh）平臺結(jié)合起來。前者涉及利用光進行數(shù)學(xué)計算；后者使用的是硅，即一種用于大規(guī)模生產(chǎn)計算機芯片的廉價且豐富的元素。

光波與物質(zhì)的相互作用代表著開發(fā)計算機的一種可能途徑，這種方法不受當今芯片局限性的限制。新型芯片的原理本質(zhì)上與20世紀60年代計算革命初期芯片的原理相同。

研究人員在論文中描述了這種芯片的開發(fā)過程。他們的目標是開發(fā)一個執(zhí)行向量矩陣乘法的平臺。向量矩陣乘法是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)開發(fā)和功能中的核心數(shù)學(xué)運算，而神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是當今支持AI工具的計算機體系結(jié)構(gòu)。

恩赫塔解釋說，他們可將硅晶片做得更薄，比如150納米，并且使用高度不均勻的硅晶片，但這僅限于特定區(qū)域。在無需添加任何其他材料的情況下，這些高度的變化提供了一種控制光在芯片中傳播的方法，因為高度的變化可導(dǎo)致光以特定的模式散射，從而允許芯片以光速進行數(shù)學(xué)計算。

除了更快的速度和更少的能耗之外，新型芯片還具有隱私優(yōu)勢。由于許多計算可同時進行，因此無需在計算機的工作內(nèi)存中存儲敏感信息，從而使采用此類技術(shù)的未來計算機幾乎無法被入侵。

（來源：科技日報）

超低噪聲系統(tǒng)實現(xiàn)室溫量子

“光學(xué)壓縮”

科技日報2月20日報道，在量子力學(xué)領(lǐng)域，科學(xué)家一直難以在室溫下觀測和控制量子現(xiàn)象，尤其是在大尺度上。據(jù)瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院官網(wǎng)報道，該?？茖W(xué)家開發(fā)出一種超低噪聲系統(tǒng)，在室溫下實現(xiàn)了量子“光學(xué)壓縮”。這項開創(chuàng)性研究有助科學(xué)家理解如何創(chuàng)建大而復(fù)雜的量子態(tài)。相關(guān)論文發(fā)表于最新一期《自然》雜志。

一般而言，科學(xué)家更容易在接近絕對零度的環(huán)境下檢測到量子效應(yīng)，但這一極低溫度要求制約了量子技術(shù)的實際應(yīng)用。

在最新研究中，研究團隊創(chuàng)建了一個超低噪聲光學(xué)機械系統(tǒng)。這是一種光和機械運動相互連接的裝置。該系統(tǒng)使他們能夠高精度地研究和操縱光影響運動的物體。室溫的主要問題是熱噪聲，它會擾亂微妙的量子動力學(xué)。為最大限度減少這種情況，研究人員用到了專門的反射鏡——腔鏡，其能在有限的空間內(nèi)來回反射光線，有效地“捕獲”光線，并增強其與系統(tǒng)中機械元件的相互作用。

系統(tǒng)另一關(guān)鍵部件是一個4毫米的鼓狀裝置，即機械振蕩器，它可與腔內(nèi)的光相互作用。該裝置設(shè)計精巧，尺寸相對較大，能與環(huán)境噪聲隔離開來，使科學(xué)家能在室溫下檢測到微妙的量子現(xiàn)象。

研究團隊可在不需要極低溫度的情況下，有效地控制和觀察宏觀系統(tǒng)中的量子現(xiàn)象。這將有助于擴大量子光學(xué)機械系統(tǒng)的使用范圍，在宏觀尺度上開展量子測量和量子力學(xué)實驗。

研究人員表示，他們新開發(fā)的系統(tǒng)可能會催生新型混合量子系統(tǒng)。在這種系統(tǒng)中，機械鼓可與不同物體，如被捕獲的原子云，發(fā)生強烈的相互作用。

（來源：科技日報）

新型固體材料能快速傳導(dǎo)鋰離子

科技日報2月20日報道，英國利物浦大學(xué)科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了一種能快速傳導(dǎo)鋰離子的固體材料。這種新型電解質(zhì)有望用于研制可持續(xù)電池。相關(guān)論文發(fā)表在新一期《科學(xué)》雜志上。

研究團隊使用協(xié)同計算和人工智能（AI）等變革性的方法，設(shè)計并在實驗室中合成出這一新材料。隨后，他們確定了新材料的結(jié)構(gòu)，并將其置于電池內(nèi)，展示了其性能。

電解液是鋰離子電池的“血液”，在電池正負極之間起到傳導(dǎo)離子的作用，是鋰離子電池獲得高電壓、高比能的關(guān)鍵。但目前液體電解質(zhì)是鋰離子電池在安全性和能量密度上限方面出現(xiàn)短板的最核心因素。而最新電解質(zhì)材料由無毒的稀土元素組成，擁有足夠高的鋰離子電導(dǎo)率，可取代液體電解質(zhì)，從而提高鋰離子電池的安全性和能量密度。

研究團隊表示，由于新材料結(jié)構(gòu)特殊，它能以不同于液體電解質(zhì)的方式工作。利物浦大學(xué)化學(xué)系馬特·羅塞因斯基教授稱，新材料性能比那些只能為離子提供狹窄空間的固體更優(yōu)異，其結(jié)構(gòu)改變了以前對高性能固態(tài)電解質(zhì)的理解。

研究團隊強調(diào)，很多科學(xué)家正在使用AI工具搜尋新材料，AI正在改變材料研發(fā)的范式。由于AI工具獨立工作，因此會以各種方式重新創(chuàng)建它們所訓(xùn)練的內(nèi)容，生成的新材料可能與已知材料非常相似。

在最新研究中，他們借助AI工具尋找能將不同材料區(qū)分出來的成分和結(jié)構(gòu)差異，并評估這些差異對材料性能的影響。這一顛覆性設(shè)計方法為發(fā)現(xiàn)更多高性能固體材料提供了新途徑。

（來源：科技日報）

一種奇異電子態(tài)可實現(xiàn)更強大

量子計算

科技日報2月21日報道，電美國麻省理工學(xué)院物理學(xué)家在5層石墨烯中觀察到了一種難以捉摸的分數(shù)電荷效應(yīng)。這是結(jié)晶石墨烯中“分數(shù)量子反常霍爾效應(yīng)”（“反?！敝傅氖遣淮嬖诖艌觯┑牡谝粋€證據(jù)。這將使一種新形式量子計算成為可能，這種類型的計算對微擾的抵抗力更強。最新一期《自然》雜志報道了這一研究結(jié)果。

在非常特殊的物質(zhì)狀態(tài)下，電子可由一個整體分裂成幾個部分。這種被稱為“分數(shù)電荷”的現(xiàn)象十分少見。如果它能夠被聚集和控制，這種奇異的電子態(tài)可有助于建立彈性、容錯的量子計算機。到目前為止，物理學(xué)家已經(jīng)觀察到數(shù)次分數(shù)量子霍爾效應(yīng)，大多是在非常高的、精心維護的磁場下觀察到的。

2023年8月，華盛頓大學(xué)的科學(xué)家報告了第一個沒有磁場的分數(shù)電荷的證據(jù)。他們在一種名為二硫化鉬的扭曲半導(dǎo)體中觀察到了這種“反?！卑姹镜男?yīng)?！盁o磁鐵”的結(jié)果開辟了一條通向拓撲量子計算的有前途的道路，這是一種更安全的量子計算形式。這種計算方案是基于分數(shù)量子霍爾效應(yīng)和超導(dǎo)體的組合。在這種情況下，分數(shù)電荷將充當量子比特。

此次，科學(xué)家終于在一種不需要如此強大磁場的石墨烯材料中看到了這種效果。他們發(fā)現(xiàn)，當5層石墨烯像臺階一樣堆放時，所產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)本身就為電子提供了合適的條件，使其作為總電荷的一部分通過，而不需要任何外部磁場。

研究人員首先從一塊石墨中剝離石墨烯層，然后使用光學(xué)工具識別階梯狀結(jié)構(gòu)中的5層薄片，從而制造出兩個混合石墨烯結(jié)構(gòu)的樣品。接著，他們將石墨烯薄片壓印在六方氮化硼（hBN）薄片上，并將第二片hBN薄片放在石墨烯結(jié)構(gòu)上。最后，他們將電極連接到結(jié)構(gòu)上，并將其放入冰箱，溫度設(shè)置為接近絕對零度。

當研究人員在材料上施加電流并測量輸出電壓時，他們開始看到分數(shù)電荷的特征，其中電壓等于電流乘以分數(shù)和一些基本物理常數(shù)。

通過進一步分析，該團隊證實了石墨烯結(jié)構(gòu)確實表現(xiàn)出分數(shù)量子反?；魻栃?yīng)。這是第一次在石墨烯中看到這種效應(yīng)。

目前，研究團隊正在繼續(xù)探索多層石墨烯，以尋找其他稀有電子態(tài)。

（來源：科技日報）

新技術(shù)為海量數(shù)據(jù)存儲提供

“超級光盤”

科技日報2月22日報道，中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機械研究所（以下簡稱“上海光機所”）阮昊研究員團隊和上海理工大學(xué)顧敏院士等科研人員，利用國際首創(chuàng)的雙光束調(diào)控聚集誘導(dǎo)發(fā)光超分辨光存儲技術(shù)，突破了信息寫入和讀出的衍射極限限制。該研究為大數(shù)據(jù)存儲提供了綠色、長壽命的解決方案，相關(guān)成果于2月22日發(fā)表在《自然》上。

科研人員利用雙光束光存儲技術(shù)突破光學(xué)衍射極限的限制，首次證實可以在三維空間實現(xiàn)多至百層、超分辨尺寸下的信息點的寫入和讀出。這項新技術(shù)可以讓單張盤容量高達Pb級，相當于至少一萬張藍光光盤的容量。

相關(guān)研究表明，以50年為使用周期估算，光存儲技術(shù)的平均成本相較于硬盤可以減少兩個數(shù)量級，達到“以一抵百”的效果。

顧敏介紹，以深度學(xué)習(xí)模型ChatGPT為例，其背后的數(shù)據(jù)集，總索引網(wǎng)頁數(shù)量多達58億，整個互聯(lián)網(wǎng)的文本大小約為56Pb。如果用1TB容量的移動硬盤存儲這些數(shù)據(jù)，用到的硬盤平鋪開相當于一個標準田徑場那么大。而此次科研團隊開發(fā)的三維納米光存儲技術(shù)，可將存儲空間節(jié)省至一臺電腦大小，極大地降低了成本。

“我們解決了光存儲領(lǐng)域信息寫入和讀出均受衍射極限限制的問題，實現(xiàn)了超分辨的記錄，極大地提高了光存儲的密度和容量。單盤的容量可達到1.6Pb，相當于1萬張藍光光盤，這是一個突破性的進展，為大數(shù)據(jù)存儲提供了綠色節(jié)能長壽命的方案?！毕嚓P(guān)研究人員介紹，最新納米光子存儲技術(shù)不僅有助于我國在數(shù)據(jù)存儲領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)突破，未來也有望在航空航天、生物醫(yī)學(xué)、衛(wèi)星通信等領(lǐng)域大顯身手。

（來源：科技日報）

新型鈣-氧氣電池成功研發(fā)

光明日報2月17日報道，復(fù)旦大學(xué)纖維電子材料與器件研究院、高分子科學(xué)系、先進材料實驗室、聚合物分子工程國家重點實驗室彭慧勝/王兵杰團隊，聯(lián)合王永剛、周豪慎、陸俊等合作者，研發(fā)出一種新型鈣-氧氣電池，該電池可在室溫條件下進行電化學(xué)充放電，并穩(wěn)定運行700次循環(huán)，展現(xiàn)出高安全性和較低成本等優(yōu)勢。相關(guān)成果于2月7日以《室溫下可充鈣-氧氣電池》為題在線發(fā)表于《自然》雜志。

鈣金屬具有低氧化還原電位和多價性等特性，結(jié)合我國豐富的鈣資源，基于金屬鈣的電池體系在未來的能源應(yīng)用中具有廣闊前景。其中，鈣-氧氣電池具有最高的理論能量密度，但此前一直未能實現(xiàn)在室溫下穩(wěn)定充放電。

以往由于難以找到一種能與鈣金屬負極相匹配，且能適應(yīng)高電極電勢空氣正極的電解質(zhì)，鈣-氧氣電池的發(fā)展受到了嚴重制約。為解決這一難題，團隊通過系統(tǒng)設(shè)計溶劑、電解質(zhì)鹽以及電解質(zhì)配比，成功制備出一種基于二甲基亞砜/離子液體的新型電解質(zhì)，有效滿足了電池正負極的高要求，研發(fā)了可室溫工作的新型鈣-氧氣電池。

據(jù)了解，該鈣-氧氣電池主要由三個部分構(gòu)成：金屬鈣負極、碳納米管空氣正極和有機電解質(zhì)。這一電池的設(shè)計不僅優(yōu)化了性能和成本，也兼顧了環(huán)境的可持續(xù)性與在柔性電子設(shè)備中的應(yīng)用要求。其中，金屬鈣負極不僅成本較低，還具有較高的理論容量，有利于全電池實現(xiàn)較高的能量密度。

（來源：光明日報）