前沿

我國研制出世界首個(gè)量子路由器

近日，我國在全量子網(wǎng)絡(luò)研究領(lǐng)域取得關(guān)鍵技術(shù)突破：研制出世界首個(gè)量子路由器，并且在實(shí)驗(yàn)室成功演示。

據(jù)介紹，該研究基于973計(jì)劃重大科學(xué)問題導(dǎo)向項(xiàng)目“全量子網(wǎng)絡(luò)”，由著名計(jì)算機(jī)專家、圖靈獎(jiǎng)得主、清華大學(xué)交叉信息研究院教授姚期智領(lǐng)軍。前不久，姚期智團(tuán)隊(duì)首次在實(shí)驗(yàn)中演示了全量子路由器，實(shí)現(xiàn)了量子控制信號(hào)控制量子信號(hào)所經(jīng)的路徑。在“全量子網(wǎng)絡(luò)”項(xiàng)目中，姚期智團(tuán)隊(duì)采用基于離子阱的全量子網(wǎng)絡(luò)方案，在全量子網(wǎng)絡(luò)、離子阱量子存儲(chǔ)器和計(jì)算節(jié)點(diǎn)、遠(yuǎn)程離子糾纏等方面開展了研究,并取得較好進(jìn)展。來自美國的諾貝爾物理獎(jiǎng)獲得者維爾切克表示：“這一工作探索了一種新的物質(zhì)形態(tài)，可能會(huì)帶來出乎意料的研究方向。”

美國發(fā)明新型“4維”晶體管

美國科學(xué)家發(fā)明了一種外形如圣誕樹狀的新型晶體管，其重要組件“門”（柵極）的長度被縮減到了突破性的20納米。這種被稱為“4維”晶體管的新事物預(yù)示了半導(dǎo)體工業(yè)和計(jì)算機(jī)領(lǐng)域未來的發(fā)展潮流。

“將晶體管堆疊起來，可以實(shí)現(xiàn)高速運(yùn)算需要的更多電流和更快的操作速度。但與目前的3維晶體管相比，這種新方法增加了一個(gè)全新的層面，因此我們稱之為‘4維’。”來自渡拿大學(xué)的研發(fā)人員介紹說，晶體管通過“門”來實(shí)現(xiàn)開啟閉合，引導(dǎo)電流通過。“門”越小，意味著操作速度越快。在目前的3維硅晶體管中，“門”的長度大約為22納米。要想研發(fā)出更小長度的“門”，同時(shí)性能得到進(jìn)一步提升，就需要采用硅以外的新材料了。“4維”晶體管中的3根微型納米線，正是由極具潛力、有望在未來取代硅的砷化銦鎵制成。同時(shí)，創(chuàng)建更小的晶體管也需要找到一種新型絕緣體作為介質(zhì)層，研發(fā)團(tuán)隊(duì)研發(fā)了一種超薄復(fù)合絕緣材料涂在納米線上，從而使晶體管擁有了長度為20納米的“門”。研究人員表示，這是一個(gè)里程碑式的成果，將有助于人們研制出速度更快、更高效的集成電路以及更輕、產(chǎn)生更少熱量的筆記本電腦。

英國研制出最細(xì)玻璃“納米線”

英國科學(xué)家研制出一種玻璃（二氧化硅）納米纖維，比頭發(fā)細(xì)千倍卻比鋼硬15倍，堪稱世界上最高強(qiáng)度、最輕的“納米線”。

制造合成纖維，最重要的是用低缺陷率、重量輕的纖維實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度。通常，增加纖維的強(qiáng)度，就必須增加纖維的直徑和重量。研究顯示，減小二氧化硅納米纖維的尺寸能夠增加纖維的強(qiáng)度，同時(shí)仍然非常輕巧。為此，科學(xué)家們一直試圖找到優(yōu)化這些纖維強(qiáng)度的方法。日前，來自南安普敦大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)終于成功攻克了這一難題。其研究負(fù)責(zé)人表示，這種納米纖維比頭發(fā)細(xì)千倍卻比鋼硬15倍，并有可能使其長度達(dá)到1 000公里，因此極具應(yīng)用潛力，將對(duì)海洋、航空和安全等行業(yè)產(chǎn)生巨大影響。

日本開發(fā)出能高速分離水和油的新材料

日本科學(xué)家開發(fā)出一種擁有大量超細(xì)微孔洞、像棉花軟糖一樣柔軟而富有彈性的新材料。該材料具有適用溫度范圍廣、性能穩(wěn)定等特性，可用于液體和氣體的高速分離，如回收泄漏的原油等。

來自京都大學(xué)的中西和樹教授介紹說，這種被稱為“棉花軟糖凝膠”的新材料其實(shí)是一種多孔物質(zhì)，外表呈白色，并擁有大量直徑20~30微米的孔洞，能耐零下130攝氏度的低溫至300攝氏度以上的高溫。“棉花軟糖凝膠”的表面排斥水分，但是孔洞能夠吸附油脂，僅需數(shù)秒至數(shù)十秒即可分離出水和油。并且，像擠海綿一樣擠壓這種凝膠，還能回收吸附的油脂。

加拿大開發(fā)出虛擬大腦

加拿大滑鐵盧大學(xué)的科學(xué)家利用超級(jí)計(jì)算機(jī)技術(shù)，創(chuàng)造了一個(gè)具備簡單認(rèn)知能力的虛擬大腦。

這個(gè)名為“S paun”的虛擬大腦主體是個(gè)基于超級(jí)計(jì)算機(jī)構(gòu)建的數(shù)字模型，可以執(zhí)行多項(xiàng)簡單的認(rèn)知任務(wù)。它通過一個(gè)類似攝像鏡頭的儀器“觀察”并進(jìn)行視覺輸入，還能指揮機(jī)械臂對(duì)視覺信息作出回應(yīng)，如進(jìn)行書寫等動(dòng)作。更重要的是，系統(tǒng)中還包括250萬個(gè)模擬“神經(jīng)元”，它們能通過變化的電壓來模擬腦電波。研究人員表示，“S paun”是首個(gè)能模擬大腦利用不同區(qū)間溝通來展示復(fù)雜行為的模型。此前，盡管也有不少利用超級(jí)計(jì)算機(jī)模擬大腦功能的項(xiàng)目，但都僅僅模擬了大腦的功能形式，“S paun”則能展示這些功能如何作用于各種行為。

俄羅斯提出預(yù)測地震新方法

俄羅斯科學(xué)家日前宣布，已找到一種預(yù)測地震的新方法，即通過監(jiān)測由宇宙射線引起的地下聲波來判斷地層活動(dòng)情況，并且在實(shí)驗(yàn)中初步驗(yàn)證這一方法。

列別杰夫物理研究所空間輻射研究室主任弗拉基米爾·里亞博夫解釋了新方法的原理：宇宙射線中含有一種穿透性極強(qiáng)的μ介子，它可以穿透地下較深的地方，被穿過的地下介質(zhì)會(huì)釋放能量，引起振蕩并發(fā)出聲波。他們認(rèn)為，這種聲波能夠反映地震發(fā)源地的形成情況，振幅越大說明地層活動(dòng)越劇烈。并且，這一理論已得到初步驗(yàn)證：2011年日本福島大地震發(fā)生前后，安放在哈薩克斯坦高山科研站的傳感器記錄了地底傳來的異常聲學(xué)信號(hào)。里亞博夫表示，如果上述方法能夠被進(jìn)一步驗(yàn)證和完善，或可作為一種預(yù)測地震的新工具。

德國科學(xué)家研發(fā)鈉-空氣電池

德國科學(xué)家用金屬鈉取代目前最常用的金屬鋰作為電極材料，提出了一種新型電能儲(chǔ)存與釋放方案——鈉-空氣電池，并研制出電池樣品。

這種新型的鈉-空氣電池在放電過程中，其陰極上的堿金屬鈉可與空氣中的氧元素結(jié)合并形成穩(wěn)定的過氧化物；在充電過程中，鈉離子又可被還原成金屬鈉并釋放出氧。來自吉森大學(xué)的研發(fā)人員表示，與鋰材料相比，雖然理論上鋰電極可以達(dá)到更高的電能密度，但鈉與氧結(jié)合成過氧化物的電化學(xué)過程比鋰更穩(wěn)定。鈉-空氣電池的充放電效率可以達(dá)到80~90%，理論電能密度可以達(dá)到1 600瓦/千克，且具有穩(wěn)定性高、電壓損失小等優(yōu)點(diǎn)，未來具有廣闊的應(yīng)用前景。

中美科學(xué)家首次實(shí)現(xiàn)高覆蓋度單個(gè)精子全基因組測序

中美科學(xué)家近日首次成功實(shí)現(xiàn)了高覆蓋度的單個(gè)精子全基因組測序，構(gòu)建了迄今為止重組定位精度最高的個(gè)人遺傳圖譜，并且得出基因起始區(qū)重組率降低的原因是分子機(jī)制而非自然選擇的結(jié)論，從而解決了這一困擾學(xué)術(shù)界多年的問題。

同源染色體之間的重組是產(chǎn)生生物多樣性的重要機(jī)制，兄弟姐妹之間的差異即由這些重組決定。受實(shí)驗(yàn)技術(shù)限制，此前科學(xué)家只能依賴很多個(gè)體的人群來估計(jì)重組在群體中發(fā)生的頻率，卻無法具體到個(gè)人。此次，中美聯(lián)合研究小組利用新近發(fā)明的MALBAC 擴(kuò)增技術(shù)，成功對(duì)一名亞洲男子的99個(gè)精子進(jìn)行單細(xì)胞全基因組DNA 擴(kuò)增，并對(duì)每個(gè)精子分別測序。數(shù)據(jù)分析顯示，樣品中每個(gè)精子細(xì)胞大約經(jīng)歷26.6次重組，與此前人群遺傳研究結(jié)果基本一致，證明了基因區(qū)附近重組率的降低是由分子機(jī)制決定，而非自然選擇的結(jié)果。研究人員表示，這一發(fā)現(xiàn)有助于遺傳缺陷規(guī)律的探索，將成為不孕不育癥及遺傳疾病研究的重要理論基礎(chǔ)。

科學(xué)家首次測出大質(zhì)量黑洞旋轉(zhuǎn)速度

美國航天局和歐洲航天局的科學(xué)家近日宣布，根據(jù)美國“核星”太空望遠(yuǎn)鏡及歐航局XXM 牛頓望遠(yuǎn)鏡的觀測數(shù)據(jù)，首次準(zhǔn)確測量出一個(gè)大質(zhì)量黑洞的旋轉(zhuǎn)速度。

該黑洞的質(zhì)量約為太陽的200萬倍，位于天爐座螺旋星系內(nèi)，距地球約5 600萬光年。研究人員通過分析望遠(yuǎn)鏡觀測到的高能X 射線中由鐵原子發(fā)出的射線，追蹤了黑洞周圍吸積盤的移動(dòng)。測試結(jié)果顯示，黑洞在快速旋轉(zhuǎn)，其旋轉(zhuǎn)速度幾乎達(dá)到理論所允許的極限。“核星”首席科學(xué)家菲奧娜·哈里森教授稱：“這是首次確認(rèn)黑洞確實(shí)在旋轉(zhuǎn)，它意味著我們或許可以理解黑洞是如何成長的。”