一場深度學習與超導量子計算的美麗邂逅 等

一場深度學習與超導量子計算的美麗邂逅

近年來，深度神經網絡模型已成為機器學習、人工智能的有力工具，在自動駕駛、高效檢索、計算機視覺等領域大顯身手。深度神經網絡的多層結構被認為是從復雜數據中提取有效特征的關鍵，反向傳播訓練算法則能有效提升深度神經網絡的訓練效率。與此同時，量子機器學習領域也取得了重大進展。理論上，已有研究證明在某些特定的分類任務中，量子機器學習模型相對于經典機器學習模型具有指數級的加速優勢。實驗方面，隨著量子器件的快速發展，一些量子機器學習模型已在實驗平臺上成功演示。

清華大學交叉信息研究院孫麓巖研究組與鄧東靈研究組合作，設計了一種可以在數字量子器件中實施的反向傳播算法，并在平面超導量子系統上成功演示了該模型的訓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網絡的多層結構；作用在相鄰層量子比特上的參數化量子線路構成層間感知器。在正向運行網絡的過程中，量子信息會通過量子感知器，由輸入層，經過多個隱藏層，最終逐層傳遞到輸出層。在反向運行網絡時，量子信息會逐層由輸出層傳遞到輸入層。

宇宙中漂浮的富勒烯“家族”，建數據庫了

20世紀80年代中期，天文學家在星際介質中發現漂浮的復雜碳分子，比如60個碳原子結合、幾何形狀與足球相同的“巴克敏斯特富勒烯”。

星際未證認紅外發射譜是一系列波長處于3—20微米的分立的紅外譜帶。自1970年代天文學家首次在年輕富碳星NGC?7027中觀測到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、超新星遺跡和星爆星系等多種天體環境中都觀測到了UIE譜。其輻射能量約占銀河系紅外輻射能量的20%，足見UIE譜的載體物質在星際環境大量廣泛存在。理解這些譜帶特征、確認其載體物質和演化對理解宇宙恒星形成歷史、星際化學、星系演化及生命起源具有重要意義，是天文學、天體物理和天體化學等領域一個非常重要的科學問題。

西安交通大學物理學院侯高壘教授聯合多個研究團隊，利用自主發展的質譜—光譜聯用實驗技術，首次測量并得到氣相富勒烯-金屬復合物在6—25微米范圍的高分辨紅外譜，發現富勒烯-金屬復合物可潛在貢獻于星際未證認紅外發射譜帶和彌散星際譜帶。

侯高壘教授團隊將目前所有已報道的實驗測量的C60、C60+、C60H+、C60O+、C60OH+、C70和C70H+等七種富勒烯物種的振動頻率匯編為VibFullerene數據集。未來，隨著實驗技術的發展，研究人員希望進一步擴充、豐富VibFullerene數據集。該研究有助于認識富勒烯等碳基分子在恒星演化中的潛在意義和價值，理解宇宙中的物質循環，從而幫助完善宇宙演化模型，揭示宇宙生命起源。

這個手套能在人與機器之間架起“三道”橋梁

人機交互（Human?Computer?Interaction，HCI）是研究人與計算機系統之間自然高效信息交換的原理與技術，可穿戴觸覺傳感界面是其重要組成部分，對于精確地控制設備、機器人或虛擬環境至關重要。因此，追求更高效的人機交互體驗，就需要提高觸覺傳感界面的靈敏度和檢測范圍。高靈敏度使觸覺傳感界面能夠檢測細微的機械刺激，寬探測范圍則允許更通用的應用場景。

近日，電子科學與技術學院陳忠教授/廖新勤副教授團隊通過納米—微米—毫米三個維度的精心設計，開發了集成跨尺度仿生觸覺傳感界面的數據手套。該手套憑借優異的壓力辨別能力，能夠充分利用指尖信息和多指協同，實現觸覺界面性能的精準調控和全天候、靈活的人機交互。

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）一般由多個或單個磁性金屬原子或離子形成核心，與周圍配體構成配位分子，配位分子之間以弱化合鍵（如氫鍵）連接而成。在單個分子水平上呈現磁性雙穩態，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無機磁性材料在疇尺寸上的限制，使得SMMs在高密度數據存儲、分子自旋電子學器件、量子計算等領域具有應用潛力。有機金屬鹵化物鈣鈦礦（OMHP）因其優異的電學、光學等性質，高度可調的晶體結構，低廉的制備成本等優勢，受到廣泛關注。

近日，中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心的陳小龍研究員和金士鋒副研究員指導研究生柴聰聰構造了一系列具有合適尺寸和價態的稀土基磁性分子，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的新的鈣鈦礦材料。研究人員還成功生長了較大尺寸的單晶體。這種將SMMs材料容納進入OMHPs框架中的材料設計方法，有望進一步發展分子自旋電子學的研究。

野生祖先揭曉！水稻的身世之謎，終于弄清楚了

金秋送爽，轉眼又到一年秋收時，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悠久，包括粳稻和秈稻兩個亞種。但關于水稻“身世”，其實一直撲朔迷離。目前存在兩種主流假說，即：一次起源和多次起源假說。前者推測水稻單次起源于中國的普通野生種；后者認為，水稻不同亞種分別起源于不同的地理區域，粳稻起源于中國的普通野生稻，而秈稻則起源于南亞和東南亞的尼瓦拉野生稻。

中國科學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序數據，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。該研究首先厘清了水稻和野生稻的群體遺傳結構和群體動態歷史，明確水稻包括6個品種群以及兩種野生稻存在4個遺傳組分。

在此基礎上，研究人員通過全基因組掃描，鑒定到993個在indica和japonica中同時受到選擇的基因（馴化基因），進而發現其中80%與來自中國的普通野生稻，其余20%起源于南亞和東南亞地區的尼瓦拉野生稻。這些馴化基因在水稻馴化過程中發生了持續的亞種間基因漸滲，因而共享在整個水稻的基因庫中。對36個知名馴化基因進行單倍型網絡分析后，研究團隊發現，中國南部和印度北部是水稻的二個主要馴化中心，東南亞以及印度南部也可能是水稻的次級馴化地區。由此，就解答了水稻的身世之謎——水稻是多次起源/馴化的產物。

給“黑匣子”拍“X光片”，二維材料怎么“扭轉乾坤”

在扭轉電子學中，把二維材料垂直堆疊組成范德華同質或異質結構后，類似石墨烯的扭轉界面不僅可出現在材料的表層，也可能內嵌在材料內部。面對這樣一個“黑匣子”，科學家可犯了難：對于此類材料，堆垛界面內嵌在內部，如何對其界面狀態進行高分辨表征？這種內嵌扭轉界面是否也會發生原子級重構現象？它對整個材料性能影響如何？

針對這些問題，清華大學航天航空學院李群仰教授課題組發現探測二維材料堆垛結構內嵌界面的一種新方法，該方法簡單、便捷且高分辨，類似于醫學檢測中的X光拍片。具體來看，課題組基于導電原子力顯微鏡的轉角二維材料界面表征和反演，通過簡單的表面電導測試，即可實現對扭轉層狀材料內部堆垛結構的探測和可視化。實驗結果表明，對于內嵌在二維材料內部的小扭轉角度界面，仍會出現顯著的原子級重構現象；且即使當扭轉界面處于材料內部10個原子層深度的位置，原子重構所導致的局部導電性擾動仍在其表面電導上有所體現。研究成果對二維堆垛結構的基礎研究以及新興的扭轉電子學的發展具有重要意義。

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，多數人都會想到電腦、智能手機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的硅基芯片？近期，隨著神舟十五號載人飛船返回艙在東風著陸場成功著陸，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，指在體外構建三維人體器官或組織微環境，可高仿真地模擬人體器官功能。此次東南大學蘇州醫療器械研究院、中國航天員科研訓練中心、數字醫學工程全國重點實驗室、江蘇艾瑋得生物科技有限公司共同開發制作的太空血管組織芯片完成了國際上首次血管組織芯片在長期微重力條件下的培養實驗。

該器官芯片是我國獨立自主研制，是我國第一次在軌實施器官芯片項目，也是國際首次在軌開展人工血管器官芯片研究，標志我國成為世界上第二個具備在軌開展器官芯片研究能力的國家。通過開展太空器官芯片的設計研究，發展有效的對抗防護措施，對于保障長期飛行后航天員的健康和圓滿完成航天飛行任務具有重要的意義。