新型振蕩器創(chuàng)激光脈沖
功率新紀(jì)錄
科技日?qǐng)?bào)2024年10月15日?qǐng)?bào)道,據(jù)最新一期《光學(xué)》雜志發(fā)表的一項(xiàng)研究,瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院科學(xué)家研制出一款新型激光振蕩器,其產(chǎn)生的激光在平均功率和強(qiáng)度方面,均創(chuàng)造了此類激光脈沖新紀(jì)錄。其平均功率高達(dá)550瓦,超出此前紀(jì)錄50%以上。
此次激光脈沖的持續(xù)時(shí)間不足1皮秒,且能以每秒500萬(wàn)個(gè)脈沖的超高速度,有序從激光器中射出。這些超強(qiáng)且“壽命”超短的激光脈沖可用于材料加工、眼科手術(shù)、精密測(cè)量等諸多領(lǐng)域,也有望催生更精確的原子鐘。
中國(guó)科學(xué)院物理研究所研究員、博士生導(dǎo)師魏志義對(duì)科技日?qǐng)?bào)記者解釋道,為制造出這些超短強(qiáng)激光脈沖,團(tuán)隊(duì)使用了“碟片”激光振蕩器。該振蕩器的核心部件是一個(gè)厚度僅100微米的薄碟片,其由摻雜鐿原子的晶體構(gòu)成。
最新研究基于兩項(xiàng)技術(shù)創(chuàng)新:首先是利用反射鏡的獨(dú)特排列方式放大激光腔內(nèi)的振蕩光。為此,研究團(tuán)隊(duì)巧妙設(shè)計(jì)出一種特殊的反射鏡陣列,使光在激光腔內(nèi)循環(huán)往返多次放大。隨后,為將這些放大光轉(zhuǎn)化為高強(qiáng)度的超短脈沖,團(tuán)隊(duì)使用了“半導(dǎo)體飽和吸收鏡(SESAM)”。與普通反射鏡不同,SESAM的反射率會(huì)隨著光的強(qiáng)度而變化。當(dāng)光的強(qiáng)度超過(guò)某個(gè)閾值時(shí),SESAM能夠高效地反射這些光,使激光從連續(xù)模式切換到脈沖模式。
團(tuán)隊(duì)期待能進(jìn)一步將該脈沖壓縮到少周期范圍,這對(duì)于產(chǎn)生阿秒脈沖至關(guān)重要。阿秒級(jí)脈沖可幫助科學(xué)家更深入地觀察物質(zhì)內(nèi)部的超快物理現(xiàn)象,進(jìn)一步揭示微觀世界隱藏的奧秘。
(2024年10月15日 劉霞 科技日?qǐng)?bào))
韓國(guó)商用量子計(jì)算機(jī)達(dá)到
“化學(xué)精度”
科技日?qǐng)?bào)2024年10月15日?qǐng)?bào)道,韓國(guó)昆諾瓦(Qunova)計(jì)算公司14日宣布了近期在3臺(tái)含噪中等規(guī)模量子(NISQ)計(jì)算機(jī)上進(jìn)行的一系列測(cè)試的結(jié)果。在每項(xiàng)演示中,昆諾瓦的算法均能以低于現(xiàn)實(shí)世界量子化學(xué)應(yīng)用所需的1.6毫哈特里閾值的準(zhǔn)確度產(chǎn)生結(jié)果,這一水平被稱為“化學(xué)精度”。這是在商用設(shè)備上首次實(shí)現(xiàn)這一成果。
在2024年韓國(guó)量子大會(huì)期間,昆諾瓦使用一臺(tái)來(lái)自芬蘭量子初創(chuàng)企業(yè)(IQM)的20量子比特計(jì)算機(jī)展示了化學(xué)精度。這一實(shí)驗(yàn)連續(xù)演示了3天,每天實(shí)時(shí)在活動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)硫化鋰的3種不同幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)行一小時(shí)的能量估算。在此之前,昆諾瓦還使用IBM的“鷹”量子處理器進(jìn)行了一項(xiàng)24量子比特的實(shí)驗(yàn),展示了其算法在模擬硫化鋰基態(tài)能量時(shí)能達(dá)到0.1毫哈特里的計(jì)算準(zhǔn)確度,這遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了化學(xué)精度所需的水平。
這些結(jié)果表明,昆諾瓦開發(fā)的量子算法與硬件無(wú)關(guān)。這些測(cè)試是在包括硫化鋰、硫化氫、水和甲烷在內(nèi)的多種分子上進(jìn)行的。
昆諾瓦的解決方案可在所有類型的量子計(jì)算機(jī)上運(yùn)行,并提供足夠的計(jì)算準(zhǔn)確度來(lái)進(jìn)行高級(jí)化學(xué)計(jì)算。這與在傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)上使用傳統(tǒng)變分量子本征求解器(VQE)進(jìn)行的模擬不同,后者模擬不具有可擴(kuò)展性。此外,昆諾瓦通過(guò)使用其新型簡(jiǎn)化VQE(稱為“HiVQE”)實(shí)現(xiàn)了此前量子系統(tǒng)從未達(dá)到的精度。
這一突破的關(guān)鍵在于昆諾瓦開發(fā)的一種在量子計(jì)算過(guò)程中不攜帶誤差的計(jì)算方法,使計(jì)算運(yùn)行效率提高了1 000倍。結(jié)果表明,與傳統(tǒng)的VQE相比,使用HiVQE解決方案可將計(jì)算這些問題所需的計(jì)算資源減少到千分之一以下。因此,昆諾瓦估計(jì),其算法在使用僅有40~60量子比特的NISQ機(jī)器時(shí),就能為化學(xué)計(jì)算提供相對(duì)于經(jīng)典計(jì)算機(jī)的量子優(yōu)勢(shì)。
(2024年10月15日 張佳欣 科技日?qǐng)?bào))
多路復(fù)用無(wú)線傳輸速度創(chuàng)紀(jì)錄
科技日?qǐng)?bào)2024年10月16日?qǐng)?bào)道,英國(guó)科學(xué)家開發(fā)出一種能在寬頻率范圍傳輸多個(gè)數(shù)據(jù)流的新技術(shù),將無(wú)線數(shù)據(jù)的傳輸速度提升至938吉比特/秒。這一速度是當(dāng)前英國(guó)5G手機(jī)網(wǎng)絡(luò)平均速度的9 000多倍,也是多路復(fù)用數(shù)據(jù)傳輸?shù)男录o(jì)錄。相關(guān)論文發(fā)表于最新一期《光波技術(shù)》雜志。
在音樂會(huì)、體育比賽等大型活動(dòng)中,以及繁忙的火車站等場(chǎng)所,無(wú)線信號(hào)的需求量極大,但這也常常導(dǎo)致移動(dòng)電話網(wǎng)絡(luò)癱瘓。主要原因在于,5G網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的帶寬有限。目前,各國(guó)分配給5G網(wǎng)絡(luò)的頻率大多在6千兆赫以下,且頻率范圍相對(duì)較窄。
為了突破這一瓶頸,倫敦大學(xué)學(xué)院科學(xué)家將無(wú)線電波和光波結(jié)合,在比以往同類實(shí)驗(yàn)更寬的頻率范圍——從5千兆赫到150千兆赫內(nèi)傳輸數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,無(wú)線數(shù)據(jù)的傳輸速度高達(dá)938吉比特/秒,相當(dāng)于每秒能下載超過(guò)20部平均長(zhǎng)度的電影。這一超高傳輸速度有望催生更多應(yīng)用程序,也能確保大多數(shù)人獲得足夠帶寬傳輸流媒體數(shù)據(jù)。
研究團(tuán)隊(duì)解釋說(shuō),目前科學(xué)家通常借助數(shù)—模轉(zhuǎn)換器通過(guò)空氣以無(wú)線電波發(fā)送1和0,但這些設(shè)備在更高頻率下很難工作。他們另辟蹊徑,將該技術(shù)用于較低頻率范圍,并將另一種激光技術(shù)用于較高頻率范圍。兩者結(jié)合創(chuàng)建了一個(gè)數(shù)據(jù)寬帶,這些數(shù)據(jù)可被集成到下一代智能手機(jī)的硬件,從而實(shí)現(xiàn)超高速數(shù)據(jù)傳輸。
這項(xiàng)技術(shù)不僅創(chuàng)下多路復(fù)用數(shù)據(jù)傳輸紀(jì)錄,對(duì)無(wú)線通信的未來(lái)也至關(guān)重要。
研究團(tuán)隊(duì)表示,在更寬頻率范圍分發(fā)信號(hào),就像把當(dāng)前狹窄而擁擠的5G網(wǎng)絡(luò)通道變成“高速公路”。他們目前正與智能手機(jī)制造商和網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商協(xié)商,希望未來(lái)的6G網(wǎng)絡(luò)能應(yīng)用此項(xiàng)技術(shù)。
(2024年10月16日 劉霞 科技日?qǐng)?bào))
范德華力堆疊技術(shù)造出
糾纏光子對(duì)
科技日?qǐng)?bào)2024年10月16日?qǐng)?bào)道,新加坡南洋理工大學(xué)科學(xué)家開發(fā)出一項(xiàng)新技術(shù),使用厚度僅1.2微米的超薄二氯化鈮氧化物(NbOCl2)薄片來(lái)產(chǎn)生量子計(jì)算所需的糾纏光子對(duì),有望將關(guān)鍵組件的尺寸縮小至原來(lái)的千分之一。這一成果代表著范德華力堆疊技術(shù)應(yīng)用的新方向。相關(guān)論文14日發(fā)表在《自然·光子學(xué)》上。
研究人員解釋說(shuō),與需要超低溫度的電子量子比特相比,以光子作為量子比特在室溫下即可運(yùn)行,具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。當(dāng)光子以糾纏對(duì)形式產(chǎn)生時(shí),可以保持量子態(tài),能以更快速度同時(shí)執(zhí)行多項(xiàng)計(jì)算。然而,使用光子的最大障礙之一是難以產(chǎn)生足夠多的糾纏光子對(duì),尤其是在使用較薄材料的情況下。
為了解決這一問題,研究團(tuán)隊(duì)使用了具有特殊光學(xué)性質(zhì)的NbOCl2材料。他們將兩片超薄材料堆疊在一起,并使它們的晶粒垂直對(duì)齊,成功創(chuàng)建了糾纏光子對(duì),且無(wú)需額外同步設(shè)備。這為開發(fā)可擴(kuò)展且高效的量子光子系統(tǒng)帶來(lái)了可能,有望將量子技術(shù)直接集成到基于芯片的平臺(tái)中。
范德華力工程是一種通過(guò)堆疊二維材料來(lái)調(diào)整材料特性的技術(shù),已被用于從超導(dǎo)到分?jǐn)?shù)量子反常霍爾效應(yīng)等各種應(yīng)用。該研究成功的關(guān)鍵在于創(chuàng)新了堆疊技術(shù),將兩片超薄NbOCl2以垂直角度堆疊,從而實(shí)現(xiàn)了偏振糾纏——這是量子計(jì)算的一項(xiàng)基本要求。據(jù)團(tuán)隊(duì)介紹,幾十年來(lái),偏振糾纏光子對(duì)一直是量子光學(xué)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ),但通常需要使用更大、更笨重的材料。通過(guò)范德華力工程,可以無(wú)需這些大型裝置就能產(chǎn)生偏振糾纏光子。
通過(guò)堆疊材料薄片,研究團(tuán)隊(duì)生成了具有高度量子相干性的光子對(duì)。他們測(cè)量了偏振糾纏態(tài)的保真度為86%,這表明范德華力工程方法可能是創(chuàng)建量子糾纏態(tài),將量子光子器件直接集成到芯片中的可靠途徑。
范德華力工程的這一應(yīng)用不僅可能對(duì)量子計(jì)算產(chǎn)生影響,還可能對(duì)安全通信和其他量子技術(shù)產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。如果將量子元件縮小至目前的千分之一,有望帶來(lái)更加緊湊、可擴(kuò)展且節(jié)能的量子系統(tǒng)。
(2024年10月16日 張佳欣 科技日?qǐng)?bào))
歐幾里得望遠(yuǎn)鏡致力
繪制最精確宇宙地圖
科技日?qǐng)?bào)2024年10月17日?qǐng)?bào)道,據(jù)英國(guó)《新科學(xué)家》雜志網(wǎng)站最新報(bào)道,歐洲空間局去年7月升空的歐幾里得空間望遠(yuǎn)鏡目前正致力于繪制出迄今最大、最精確的宇宙地圖,該項(xiàng)目第一幅圖像于近日在意大利舉行的國(guó)際宇航大會(huì)上發(fā)布。
歐洲空間局科學(xué)主任卡羅爾·蒙代爾在國(guó)際宇航大會(huì)上透露,這幅由260張圖像拼接而成的馬賽克圖片,是歐幾里得望遠(yuǎn)鏡在4月份為期兩周的觀測(cè)中拍攝的,分辨率達(dá)208億像素,捕捉到1400多萬(wàn)個(gè)星系的璀璨身影。但對(duì)浩瀚宇宙來(lái)說(shuō),這僅為冰山一角,占最終宇宙地圖的1%。
蒙代爾提到,在這張圖像上,細(xì)長(zhǎng)的藍(lán)色帶是附近銀河系內(nèi)的塵埃和氣體形成的“銀河卷云”。將其放大后,科學(xué)家可看到數(shù)億光年外的旋轉(zhuǎn)星系相互作用,其中一些星系的中心,還隱藏著超大質(zhì)量黑洞。這些黑洞產(chǎn)生的引力波可被地球上的探測(cè)器捕獲。
在接下來(lái)的6年里,歐幾里得望遠(yuǎn)鏡將自動(dòng)掃描大約三分之一的夜空。研究人員估計(jì),最終獲得的“宇宙地圖”將橫跨100億年的漫長(zhǎng)宇宙歷史,囊括約80億個(gè)星系,其中每個(gè)星系都包含數(shù)十億顆恒星。
歐幾里得項(xiàng)目科學(xué)家瓦萊里亞·佩托里諾在發(fā)布會(huì)上表示,歐幾里得望遠(yuǎn)鏡將通過(guò)觀察星系團(tuán)和其他現(xiàn)象,如引力如何彎曲光線,來(lái)測(cè)量物質(zhì)在空間和時(shí)間中的精妙分布。此外,由于暗能量和暗物質(zhì)會(huì)影響星系團(tuán)之間空隙的形成,測(cè)量這些空隙也可以幫助科學(xué)家深入揭示暗物質(zhì)和暗能量的特征。
(2024年10月17日 劉霞 科技日?qǐng)?bào))
新型量子比特運(yùn)行
無(wú)需外部磁場(chǎng)
科技日?qǐng)?bào)2024年10月18日?qǐng)?bào)道,據(jù)最新一期《自然通訊·材料》雜志報(bào)道,一個(gè)由日本國(guó)家信息與通信技術(shù)研究所(NICT)和名古屋大學(xué)等機(jī)構(gòu)組成的團(tuán)隊(duì),開發(fā)出了世界上首個(gè)無(wú)需外部磁場(chǎng)即可運(yùn)行的超導(dǎo)通量量子比特。傳統(tǒng)上,超導(dǎo)通量量子比特需要依靠大型線圈或通量線提供的外部磁場(chǎng)才能工作,而這款新型量子比特利用了鐵磁約瑟夫森結(jié)(π結(jié)),從而可在沒有磁場(chǎng)的情況下運(yùn)作。這為高性能量子計(jì)算機(jī)的發(fā)展提供了新的可能性。
在眾多類型的量子比特中,超導(dǎo)量子比特的量子態(tài)比較容易操控,因此廣受科學(xué)家青睞。這些量子比特的核心組件是π結(jié),它對(duì)于控制量子比特的操作至關(guān)重要。
當(dāng)前,傳輸子量子比特非諧性低,在大量集成時(shí)會(huì)面臨頻率擁擠的問題。相比之下,采用3個(gè)π結(jié)且具有較高非諧性的通量量子比特能夠緩解這類問題。然而,通量量子比特的擴(kuò)展受到限制,因?yàn)樗鼈円蕾囉谕獠烤€圈提供必要的磁通量。這不僅可能引入噪聲,還需要額外的控制線路。
為了克服這一難題,團(tuán)隊(duì)將硅基氮化物超導(dǎo)量子比特技術(shù)與鐵磁約瑟夫森器件相結(jié)合,創(chuàng)造了一種帶有π結(jié)的通量量子比特。這種π結(jié)能夠在不使用外部磁場(chǎng)的情況下產(chǎn)生180度相位偏移,使得量子比特能在最優(yōu)條件下獨(dú)立運(yùn)行。
團(tuán)隊(duì)表示,這項(xiàng)創(chuàng)新減少了噪聲干擾,簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì),并促進(jìn)了量子比特的大規(guī)模集成。盡管該量子比特的相干時(shí)間僅為1.45微秒,比之前某些相位量子比特提高了360倍,但仍短于無(wú)π結(jié)的傳統(tǒng)通量量子比特。不過(guò),消除對(duì)外部磁場(chǎng)的需求標(biāo)志著向更加高效和經(jīng)濟(jì)的量子技術(shù)邁進(jìn)了一大步。
(2024年10月18日 張佳欣 科技日?qǐng)?bào))
柔性傳感器以邊緣計(jì)算
實(shí)現(xiàn)健康監(jiān)測(cè)
科技日?qǐng)?bào)2024年10月21日?qǐng)?bào)道,由日本北海道大學(xué)和東京大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)研究團(tuán)隊(duì),制造出一種柔性多模態(tài)可穿戴傳感器貼片,并開發(fā)出相應(yīng)的邊緣計(jì)算軟件。該軟件能夠安裝在智能手機(jī)上,通過(guò)分析傳感器收集的數(shù)據(jù),監(jiān)測(cè)用戶是否出現(xiàn)心律失常、咳嗽和跌倒等情況。這項(xiàng)研究于21日發(fā)表在《設(shè)備》雜志上。
可穿戴傳感器是可以佩戴在身上并檢測(cè)身體狀態(tài)的設(shè)備,屬于物聯(lián)網(wǎng)(IoT)的一部分,在健康監(jiān)測(cè)方面展現(xiàn)出巨大潛力。這些傳感器會(huì)產(chǎn)生大量數(shù)據(jù),人們需要對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理才能理解。在傳感器或其連接的設(shè)備上(而非云端遠(yuǎn)程服務(wù)器)處理這些數(shù)據(jù)的計(jì)算領(lǐng)域,被稱為邊緣計(jì)算。邊緣計(jì)算是可穿戴傳感器技術(shù)的關(guān)鍵要素。
此次,研究團(tuán)隊(duì)制造的傳感器能夠監(jiān)測(cè)心臟活動(dòng)、呼吸、皮膚溫度以及由出汗引起的濕度。在確認(rèn)其適合長(zhǎng)期使用后,這些傳感器被集成到可貼合于人體皮膚的柔性薄膜(傳感器貼片)中。傳感器貼片還包括一個(gè)藍(lán)牙模塊,可連接到智能手機(jī)。
該團(tuán)隊(duì)首先在3名志愿者身上測(cè)試了傳感器貼片檢測(cè)生理變化的能力。志愿者將傳感器貼片貼在胸前,用于監(jiān)測(cè)他們?cè)跐袂蚝谇驕囟龋ㄓ糜诖_定是否可能有熱應(yīng)激)為22℃和29℃以上時(shí)的生命體征。團(tuán)隊(duì)還開發(fā)了一個(gè)機(jī)器學(xué)習(xí)程序來(lái)處理記錄的數(shù)據(jù),以檢測(cè)其他癥狀,如心律失常、咳嗽和跌倒。同時(shí),他們?yōu)橹悄苁謾C(jī)設(shè)計(jì)了一個(gè)邊緣計(jì)算應(yīng)用程序,可進(jìn)行同樣分析,預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率超過(guò)了80%。
這項(xiàng)研究的重大進(jìn)展在于,將多模態(tài)柔性傳感器、實(shí)時(shí)機(jī)器學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)分析和使用智能手機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程生命體征監(jiān)測(cè)相結(jié)合,提出了一種基于貼片的邊緣計(jì)算系統(tǒng)的概念。未來(lái),該系統(tǒng)將在日常生活中檢測(cè)身體的早期疾病跡象,還可用于遠(yuǎn)程醫(yī)療或診斷中。
(2024年10月21日 張佳欣 科技日?qǐng)?bào))
百億億次計(jì)算化學(xué)任務(wù)
“移師”云端
科技日?qǐng)?bào)2024年10月21日?qǐng)?bào)道,最新一期《化學(xué)物理學(xué)報(bào)》報(bào)道了一項(xiàng)由美國(guó)能源部太平洋西北國(guó)家實(shí)驗(yàn)室牽頭,并與微軟和多家國(guó)家實(shí)驗(yàn)室及大學(xué)合作的項(xiàng)目。該項(xiàng)目旨在將百億億次計(jì)算化學(xué)任務(wù)遷移到云計(jì)算環(huán)境以及新興硬件技術(shù)(TEC4)上,從而為科學(xué)計(jì)算資源向可持續(xù)生態(tài)系統(tǒng)轉(zhuǎn)型提供了一個(gè)清晰的路線圖。這種生態(tài)系統(tǒng)能夠隨著技術(shù)進(jìn)步而不斷進(jìn)化。
通過(guò)這個(gè)項(xiàng)目,研究團(tuán)隊(duì)展示了云計(jì)算的靈活性和迅速響應(yīng)能力,其能夠作為傳統(tǒng)高性能計(jì)算設(shè)施的補(bǔ)充選項(xiàng)。他們證明了將軟件即服務(wù)與云計(jì)算資源整合是可行的,這一概念驗(yàn)證預(yù)示著云計(jì)算能為解決復(fù)雜科學(xué)問題提供多樣化的支持手段,標(biāo)志著科學(xué)計(jì)算領(lǐng)域的一次重要變革。
云計(jì)算的應(yīng)用已經(jīng)超越了簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)范疇,比如照片和文檔檔案托管。如今,它已成為金融服務(wù)、制藥等行業(yè)的重要組成部分。本項(xiàng)目特別關(guān)注于將新型化學(xué)品在多領(lǐng)域應(yīng)用潛力的高度計(jì)算密集型算法遷移至云端。
研究結(jié)果顯示,借助云計(jì)算的速度與靈活性,可以在幾天內(nèi)完成以往需要數(shù)月才能完成的高級(jí)計(jì)算化學(xué)任務(wù)。過(guò)去十年間,計(jì)算化學(xué)不僅證明了自己在解決復(fù)雜科學(xué)難題上的能力,還能夠指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)并做出預(yù)測(cè)。美國(guó)能源部擁有的超級(jí)計(jì)算機(jī)提升了這方面的能力,特別是達(dá)到百億億次級(jí)水平后,更是為應(yīng)對(duì)極其復(fù)雜的挑戰(zhàn)提供了強(qiáng)有力支持。
然而,隨著工具和技術(shù)發(fā)展,解決問題所需的時(shí)間和成本也在上升。認(rèn)識(shí)到這一點(diǎn)的研究團(tuán)隊(duì)指出,云計(jì)算加上跨行業(yè)的協(xié)作模式為利用更廣泛的計(jì)算資源,應(yīng)對(duì)更多樣化的問題帶來(lái)了機(jī)遇。
例如,團(tuán)隊(duì)使用微軟Azure平臺(tái)及其復(fù)雜的工作流來(lái)探討難以直接實(shí)驗(yàn)觀察到的分子動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象。這類模擬對(duì)于理解原子尺度下的分子相互作用至關(guān)重要,但由于其高度復(fù)雜性而要求大量的計(jì)算支持。團(tuán)隊(duì)還以分解持久性環(huán)境污染物——全氟辛酸為例,展示了如何運(yùn)用計(jì)算化學(xué)來(lái)開發(fā)實(shí)際有效的環(huán)境修復(fù)策略。
(2024年10月21日 張夢(mèng)然 科技日?qǐng)?bào))