科學(xué)家開展最大規(guī)模宇宙學(xué)計(jì)算機(jī)模擬

荷蘭萊頓大學(xué)科學(xué)家主導(dǎo)的國際團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了迄今已知最大規(guī)模的宇宙學(xué)計(jì)算機(jī)模擬，不僅跟蹤暗物質(zhì)，還跟蹤普通物質(zhì)（如行星、恒星和星系等），從而管窺宇宙是如何進(jìn)化的。相關(guān)3篇論文發(fā)表于最新一期（第526卷第4期）英國《皇家天文學(xué)會月刊》。

名為FLAMINGO的模擬根據(jù)物理定律計(jì)算宇宙所有組成部分（普通物質(zhì)、暗物質(zhì)和暗能量）的演化。研究團(tuán)隊(duì)指出，為使這種模擬成為可能，他們開發(fā)了一種新的代碼SWIFT，它可有效地將計(jì)算工作分配給3萬個中央處理單元。

宇宙學(xué)理論認(rèn)為，宇宙的性質(zhì)由幾個被稱為“宇宙學(xué)參數(shù)”的數(shù)字設(shè)定。其中最簡單的宇宙學(xué)理論囊括6個“宇宙學(xué)參數(shù)”，科學(xué)家可通過各種方式精確測量這些參數(shù)的值。

其中一種方法依賴宇宙微波背景輻射的特性，這是早期宇宙遺留下來的微弱余暉。但這種方法測得的宇宙學(xué)參數(shù)的值與其他依賴星系引力彎曲光線的方式（引力透鏡）測量的值不匹配。最新計(jì)算機(jī)模擬有望揭示造成這些值“緊張關(guān)系”的原因，它們可告知測量中可能存在的偏差（系統(tǒng)誤差）。

到目前為止，用于與觀測結(jié)果進(jìn)行比較的計(jì)算機(jī)模擬只跟蹤暗物質(zhì)。研究人員表示，盡管暗物質(zhì)主導(dǎo)著引力，但普通物質(zhì)的貢獻(xiàn)不能再被忽視。普通物質(zhì)只占宇宙中所有物質(zhì)的16%，但其不僅能感受到重力，還能感受到氣體壓力，這會導(dǎo)致活躍的黑洞和超新星將物質(zhì)從星系內(nèi)吹出，進(jìn)入星際空間。在最新研究中，科學(xué)家使用機(jī)器學(xué)習(xí)方法校準(zhǔn)了星系風(fēng)的影響。

模擬結(jié)果表明，中微子和普通物質(zhì)對于作出準(zhǔn)確的預(yù)測至關(guān)重要，但并不能消弭不同測量技術(shù)所得數(shù)值之間的“緊張關(guān)系”。中微子也很有可能在這種不匹配中發(fā)揮重要作用。

研究團(tuán)隊(duì)表示，通過將此類模擬與大規(guī)模結(jié)構(gòu)觀測結(jié)果進(jìn)行比較，可測量宇宙學(xué)參數(shù)的值，以更好地揭示宇宙學(xué)的秘密。

（來源：科技日報(bào)）

迄今運(yùn)行AI最快芯片“北極”面世

美國IBM公司最新推出了一款類腦芯片“北極”，其運(yùn)行由人工智能驅(qū)動的圖像識別算法的速度是同類商業(yè)芯片的22倍，能效是同類芯片的25倍。相關(guān)研究論文發(fā)表于2023年10月19日出版的《科學(xué)》雜志。

“北極”芯片將其計(jì)算模塊與存儲信息的模塊交織在一起，允許每個計(jì)算核心像訪問相鄰的存儲塊一樣輕松地訪問遠(yuǎn)程存儲塊，大大加快了計(jì)算單元和存儲單元之間信息交換的速度。這一設(shè)計(jì)思路受到了人腦工作方式的啟發(fā)。IBM之前曾基于這一想法制造出名為“真北”的芯片，但“北極”將這項(xiàng)技術(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N與當(dāng)代計(jì)算機(jī)中使用的硅片技術(shù)兼容的數(shù)字架構(gòu)。研究團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人、IBM研究實(shí)驗(yàn)室的達(dá)爾門德拉·莫德哈表示，這是一種看待計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的新方法。

研究團(tuán)隊(duì)表示，新芯片比市場上任何商業(yè)芯片更快、更高效地運(yùn)行通用圖像識別人工智能，以及用于語音識別和自然語言處理的人工智能，速度是同類商業(yè)芯片的22倍，能效是同類芯片的25倍。此外，與其他芯片架構(gòu)相比，“北極”芯片更加緊湊，其在800 mm2的空間內(nèi)封裝了220億個晶體管。

但“北極”無法執(zhí)行其他任務(wù)，如人工智能訓(xùn)練任務(wù)，也無法輕松運(yùn)行更大的人工智能模型，研究團(tuán)隊(duì)計(jì)劃證明多個“北極”芯片是否可支持大型語言模型。雖然“北極”芯片原型不太可能立即商業(yè)化，但“北極”芯片的數(shù)字架構(gòu)極具創(chuàng)新性，對于使人工智能在自動駕駛汽車和飛機(jī)的計(jì)算硬件上高效運(yùn)行至關(guān)重要。

（來源：科技日報(bào)）

硅基光電子領(lǐng)域獲重大突破

北京大學(xué)電子學(xué)院王興軍教授、彭超教授、舒浩文研究員聯(lián)合團(tuán)隊(duì)在超高速純硅調(diào)制器方面取得突破，實(shí)現(xiàn)了全球首個電光帶寬達(dá)110 GHz的純硅調(diào)制器。這是自2004年英特爾在《自然》期刊報(bào)道第一個1 GHz硅調(diào)制器后，國際上首次把純硅調(diào)制器帶寬提高到100 GHz以上。2023年10月20日，相關(guān)研究成果以《110 GHz帶寬慢光硅調(diào)制器》為題在線發(fā)表于《科學(xué)·進(jìn)展》。

“該純硅調(diào)制器同時具有超高帶寬、超小尺寸、超大通帶及互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）集成工藝兼容等優(yōu)勢，滿足了未來超高速應(yīng)用場景對超高速率、高集成度、多波長通信、高熱穩(wěn)定性及晶圓級生產(chǎn)等需求，是硅基光電子領(lǐng)域的重大突破，為高速、短距離數(shù)據(jù)中心和光通信的應(yīng)用提供了重要關(guān)鍵技術(shù)支撐，對于下一代數(shù)據(jù)中心的發(fā)展意義重大?！蓖跖d軍介紹。

“隨著人工智能、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等新一代信息技術(shù)的大規(guī)模應(yīng)用，全球數(shù)據(jù)總量呈指數(shù)式增長，以硅基光電子為代表的光電子集成技術(shù)成為光通信系統(tǒng)的重要發(fā)展趨勢。在硅基光電子芯片系統(tǒng)中，硅基調(diào)制器可以實(shí)現(xiàn)電信號向光信號的功能轉(zhuǎn)換，具有低成本、高集成度、CMOS集成工藝兼容等優(yōu)點(diǎn)，是完成片上信息傳輸與處理的關(guān)鍵有源器件。”王興軍表示，但受限于硅材料本身較慢的載流子輸運(yùn)速率，純硅調(diào)制器帶寬典型值一般為30～40 GHz，難以適應(yīng)未來超過100 Gbaud通信速率的需要，因而也成為硅基光電子學(xué)在高速領(lǐng)域發(fā)展的瓶頸之一。

在本次工作中，研究團(tuán)隊(duì)針對傳統(tǒng)硅基調(diào)制器帶寬受限問題，利用硅基耦合諧振腔光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)引入慢光效應(yīng)，構(gòu)建了完整的硅基慢光調(diào)制器理論模型，通過合理調(diào)控結(jié)構(gòu)參數(shù)以綜合平衡光學(xué)與電學(xué)指標(biāo)因素，實(shí)現(xiàn)對調(diào)制器性能的深度優(yōu)化。研究團(tuán)隊(duì)基于CMOS集成工藝兼容的硅基光電子標(biāo)準(zhǔn)工藝，在純硅材料體系下設(shè)計(jì)并制備了在1 550 nm左右通信波長下工作的超高帶寬硅基慢光調(diào)制器，實(shí)現(xiàn)了110 GHz的超高電光帶寬，打破了迄今為止純硅調(diào)制器的帶寬上限，并同時將調(diào)制臂尺寸縮短至百微米數(shù)量級，在無須數(shù)字信號處理的情況下以簡單的二進(jìn)制振幅鍵控調(diào)制格式實(shí)現(xiàn)了單通道超過110 Gbps的高速信號傳輸，降低了算法成本與信號延遲，同時在寬達(dá)8 nm的超大光學(xué)通帶內(nèi)保持多波長通信性能的高度均一性。

“研究團(tuán)隊(duì)在不引入異質(zhì)材料與復(fù)雜工藝的前提下，實(shí)現(xiàn)了硅基調(diào)制器帶寬性能的飛躍，未來還可實(shí)現(xiàn)低成本晶圓級的量產(chǎn)，展示了硅基光電子學(xué)在下一代超高速應(yīng)用領(lǐng)域的巨大價值?！蓖跖d軍說。

（來源：光明日報(bào)）

等離激元納米光子器件品質(zhì)因子獲新紀(jì)錄

等離激元是光與金屬中自由電子相互作用形成的一種電磁模式，能使光突破光學(xué)衍射極限的限制，實(shí)現(xiàn)納米光子芯片器件的大規(guī)模集成。然而，由于焦耳熱引起的光學(xué)損耗在可見光波段尤為嚴(yán)重，嚴(yán)重降低了等離激元納米光子器件的性能，等離激元納米光子器件的損耗問題是該領(lǐng)域長期以來面臨的重要挑戰(zhàn)。

因此，除了等離激元增強(qiáng)拉曼光譜（SERS）傳感和等離激元共振（SPR）傳感等極少數(shù)應(yīng)用在生物醫(yī)學(xué)、氣體檢測、環(huán)境和食品污染物痕量檢測等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了商用化外，絕大多數(shù)等離激元相關(guān)的應(yīng)用離商用化仍然十分遙遠(yuǎn)。

2023年10月18日，中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院（以下簡稱“深圳先進(jìn)院”）集成所副研究員李光元團(tuán)隊(duì)的最新研究成果作為后封面文章發(fā)表于《先進(jìn)光學(xué)材料》。研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，利用兩種表面晶格共振模式（SLR）的轉(zhuǎn)換，可以使其損耗降低一個數(shù)量級，相應(yīng)地，評價損耗的品質(zhì)因子提高一個數(shù)量級（即十倍以上），在可見光波段實(shí)驗(yàn)測得了高達(dá)790的超高品質(zhì)因子，是現(xiàn)有紀(jì)錄（330）的2.4倍。

該研究將有望提高可見光波段基于等離激元超構(gòu)表面的上/下轉(zhuǎn)換熒光增強(qiáng)、納米激光、白光LED、高性能生化傳感、非線性光頻轉(zhuǎn)換等應(yīng)用的性能。

刷新現(xiàn)有品質(zhì)因子紀(jì)錄值

此前，科研人員主要通過優(yōu)化貴金屬（如金、銀）的制備工藝以降低其吸收和散射損耗。近年來，盡管科學(xué)家們探索了堿金屬（如金屬鈉）和透明導(dǎo)電氧化物（ITO、AZO）、全介電材料（如硅、氮化硅、二氧化鈦）等材料來克服貴金屬的損耗問題，但貴金屬因其在場束縛、穩(wěn)定性等方面的獨(dú)特優(yōu)勢，許多納米光子器件仍然優(yōu)先采用貴金屬來實(shí)現(xiàn)。

因此，如何在給定貴金屬材料及其制備工藝的條件下，通過探索新型的結(jié)構(gòu)物理來有效抑制等離激元納米光子器件的損耗，是一個非常具有挑戰(zhàn)性的難題。

對于貴金屬納米光子結(jié)構(gòu)，人們已經(jīng)探索了多種新的物理機(jī)制來抑制其吸收損耗和散射損耗。其中，由局域等離激元共振和面內(nèi)衍射光相干耦合形成的SLR，由于具有窄線寬、高品質(zhì)因子、大范圍內(nèi)的電場極大增強(qiáng)等獨(dú)特性質(zhì)，兼具等離激元的場增強(qiáng)和衍射光場的低損耗的優(yōu)勢，在諸多等離激元納米光子器件的性能提升中展現(xiàn)出巨大的潛力。

SLR又可以分為面外SLR和面內(nèi)SLR。面外SLR具有比面內(nèi)SLR更高的品質(zhì)因子。2011年，面外SLR被科學(xué)家測得了高達(dá)150的品質(zhì)因子，打破了當(dāng)時的紀(jì)錄后，便一直難以提升，因?yàn)榭茖W(xué)家們認(rèn)為支持面外SLR的金屬納米柱必須達(dá)到90納米以上。

在該研究中，研究團(tuán)隊(duì)采用貴金屬中的金和銀，及其常規(guī)的納米加工工藝，深入探討了金屬納米柱陣列的參數(shù)對SLR品質(zhì)因子的影響機(jī)制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，將納米金柱的高度從100納米降低到50納米，或者將入射角從15度增加到35度時，仿真和實(shí)驗(yàn)獲得的可見光面外SLR的品質(zhì)因子均提高了一個數(shù)量級，即高達(dá)約1 100（仿真值）和540（實(shí)驗(yàn)值）。

此外，研究人員也將納米金柱陣列拓展到納米銀柱陣列，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，通過將納米銀柱的高度從100納米減小一半到50納米，仿真得到的品質(zhì)因子也可以提高一個數(shù)量級。

“例如，采用常規(guī)工藝加工出50納米高度的納米銀柱陣列，獲得面外SLR的品質(zhì)因子仿真值可高達(dá)約1 500，實(shí)驗(yàn)測量值高達(dá)790，是現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)世界紀(jì)錄值的2.4倍。” 論文通訊作者李光元表示。

推動等離激元相關(guān)器件研發(fā)及商用化

“等離激元是實(shí)現(xiàn)光電芯片納米化的一種重要途徑，從1998年至今已研究了25年，然而，等離激元相關(guān)器件損耗問題一直難以解決，極大阻礙了相關(guān)器件的商用化。”李光元分析道。

一直以來，李光元團(tuán)隊(duì)長期從事等離激元光柵、納米激光和非線性光學(xué)器件方面的研究，多年來致力于探尋SLR損耗抑制的新機(jī)理，旨在通過精妙的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和探索新奇的物理效應(yīng)來追求其理論極限。

此前，研究團(tuán)隊(duì)針對絕大多數(shù)SLR研究所采用的均勻介電環(huán)境、納米圓柱形狀及偶極共振等限制因素，分別提出了偏好非均勻介電環(huán)境的、基于納米金屬半球陣列的、基于金屬-電介質(zhì)-金屬光柵和四偶極的超高品質(zhì)因子SLR，以及基于SLR干涉相消的超高品質(zhì)因子準(zhǔn)連續(xù)域束縛態(tài)，相關(guān)工作成果分別發(fā)表在美國光學(xué)協(xié)會會刊《光學(xué)特快》《光學(xué)快報(bào)》《應(yīng)用物理學(xué)雜志》《納米研究》和《納米光子學(xué)》等國際學(xué)術(shù)期刊上。

基于前期研究，研究團(tuán)隊(duì)歷時4年，解決了從“仿真算出”到“實(shí)驗(yàn)測出”，最后到“理論預(yù)測出”超高品質(zhì)因子等一系列關(guān)鍵問題，進(jìn)一步打破傳統(tǒng)對面外SLR所必需的金屬納米柱高度限制，突破了可見光波段SLR的品質(zhì)因子紀(jì)錄。

“我們的研究證明，采用常規(guī)的貴金屬材料及其微納加工工藝，通過打破現(xiàn)有的思維定式和進(jìn)行合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，也可以極大地抑制等離激元的損耗，獲得超高的品質(zhì)因子?！崩罟庠硎?。

（來源：中國科學(xué)報(bào)）