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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工程師開發了一種新型芯片，它使用光而不是電來執行訓練人工智能（AI）所必需的復雜數學運算。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。相關研究發表在最新一期《自然·光子學》上。

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

光波與物質的相互作用代表著開發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過程。他們的目標是開發一個執行向量矩陣乘法的平臺。向量矩陣乘法是神經網絡開發和功能中的核心數學運算，而神經網絡是當今支持AI工具的計算機體系結構。

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致光以特定的模式散射，從而允許芯片以光速進行數學計算。

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勢。由于許多計算可同時進行，因此無需在計算機的工作內存中存儲敏感信息，從而使采用此類技術的未來計算機幾乎無法被入侵。

（來源：科技日報）

超低噪聲系統實現室溫量子

“光學壓縮”

科技日報2月20日報道，在量子力學領域，科學家一直難以在室溫下觀測和控制量子現象，尤其是在大尺度上。據瑞士洛桑聯邦理工學院官網報道，該?？茖W家開發出一種超低噪聲系統，在室溫下實現了量子“光學壓縮”。這項開創性研究有助科學家理解如何創建大而復雜的量子態。相關論文發表于最新一期《自然》雜志。

一般而言，科學家更容易在接近絕對零度的環境下檢測到量子效應，但這一極低溫度要求制約了量子技術的實際應用。

在最新研究中，研究團隊創建了一個超低噪聲光學機械系統。這是一種光和機械運動相互連接的裝置。該系統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。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來回反射光線，有效地“捕獲”光線，并增強其與系統中機械元件的相互作用。

系統另一關鍵部件是一個4毫米的鼓狀裝置，即機械振蕩器，它可與腔內的光相互作用。該裝置設計精巧，尺寸相對較大，能與環境噪聲隔離開來，使科學家能在室溫下檢測到微妙的量子現象。

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中的量子現象。這將有助于擴大量子光學機械系統的使用范圍，在宏觀尺度上開展量子測量和量子力學實驗。

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

（來源：科技日報）

新型固體材料能快速傳導鋰離子

科技日報2月20日報道，英國利物浦大學科學家發現了一種能快速傳導鋰離子的固體材料。這種新型電解質有望用于研制可持續電池。相關論文發表在新一期《科學》雜志上。

研究團隊使用協同計算和人工智能（AI）等變革性的方法，設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構，并將其置于電池內，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離子的作用，是鋰離子電池獲得高電壓、高比能的關鍵。但目前液體電解質是鋰離子電池在安全性和能量密度上限方面出現短板的最核心因素。而最新電解質材料由無毒的稀土元素組成，擁有足夠高的鋰離子電導率，可取代液體電解質，從而提高鋰離子電池的安全性和能量密度。

研究團隊表示，由于新材料結構特殊，它能以不同于液體電解質的方式工作。利物浦大學化學系馬特·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異，其結構改變了以前對高性能固態電解質的理解。

研究團隊強調，很多科學家正在使用AI工具搜尋新材料，AI正在改變材料研發的范式。由于AI工具獨立工作，因此會以各種方式重新創建它們所訓練的內容，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分出來的成分和結構差異，并評估這些差異對材料性能的影響。這一顛覆性設計方法為發現更多高性能固體材料提供了新途徑。

（來源：科技日報）

一種奇異電子態可實現更強大

量子計算

科技日報2月21日報道，電美國麻省理工學院物理學家在5層石墨烯中觀察到了一種難以捉摸的分數電荷效應。這是結晶石墨烯中“分數量子反?；魻栃保ā胺闯！敝傅氖遣淮嬖诖艌觯┑牡谝粋€證據。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果。

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

2023年8月，華盛頓大學的科學家報告了第一個沒有磁場的分數電荷的證據。他們在一種名為二硫化鉬的扭曲半導體中觀察到了這種“反?！卑姹镜男??！盁o磁鐵”的結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量子霍爾效應和超導體的組合。在這種情況下，分數電荷將充當量子比特。

此次，科學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。他們發現，當5層石墨烯像臺階一樣堆放時，所產生的結構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，然后使用光學工具識別階梯狀結構中的5層薄片，從而制造出兩個混合石墨烯結構的樣品。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薄片放在石墨烯結構上。最后，他們將電極連接到結構上，并將其放入冰箱，溫度設置為接近絕對零度。

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

通過進一步分析，該團隊證實了石墨烯結構確實表現出分數量子反?；魻栃?。這是第一次在石墨烯中看到這種效應。

目前，研究團隊正在繼續探索多層石墨烯，以尋找其他稀有電子態。

（來源：科技日報）

新技術為海量數據存儲提供

“超級光盤”

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

科研人員利用雙光束光存儲技術突破光學衍射極限的限制，首次證實可以在三維空間實現多至百層、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。

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

顧敏介紹，以深度學習模型ChatGPT為例，其背后的數據集，總索引網頁數量多達58億，整個互聯網的文本大小約為56Pb。如果用1TB容量的移動硬盤存儲這些數據，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的三維納米光存儲技術，可將存儲空間節省至一臺電腦大小，極大地降低了成本。

“我們解決了光存儲領域信息寫入和讀出均受衍射極限限制的問題，實現了超分辨的記錄，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，為大數據存儲提供了綠色節能長壽命的方案?！毕嚓P研究人員介紹，最新納米光子存儲技術不僅有助于我國在數據存儲領域實現突破，未來也有望在航空航天、生物醫學、衛星通信等領域大顯身手。

（來源：科技日報）

新型鈣-氧氣電池成功研發

光明日報2月17日報道，復旦大學纖維電子材料與器件研究院、高分子科學系、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，聯合王永剛、周豪慎、陸俊等合作者，研發出一種新型鈣-氧氣電池，該電池可在室溫條件下進行電化學充放電，并穩定運行700次循環，展現出高安全性和較低成本等優勢。相關成果于2月7日以《室溫下可充鈣-氧氣電池》為題在線發表于《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在室溫下穩定充放電。

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

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

（來源：光明日報）