新型振蕩器創(chuàng)激光脈沖

功率新紀錄

科技日報2024年10月15日報道，據(jù)最新一期《光學》雜志發(fā)表的一項研究，瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學院科學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度方面，均創(chuàng)造了此類激光脈沖新紀錄。其平均功率高達550瓦，超出此前紀錄50%以上。

此次激光脈沖的持續(xù)時間不足1皮秒，且能以每秒500萬個脈沖的超高速度，有序從激光器中射出。這些超強且“壽命”超短的激光脈沖可用于材料加工、眼科手術、精密測量等諸多領域，也有望催生更精確的原子鐘。

中國科學院物理研究所研究員、博士生導師魏志義對科技日報記者解釋道，為制造出這些超短強激光脈沖，團隊使用了“碟片”激光振蕩器。該振蕩器的核心部件是一個厚度僅100微米的薄碟片，其由摻雜鐿原子的晶體構成。

最新研究基于兩項技術創(chuàng)新：首先是利用反射鏡的獨特排列方式放大激光腔內(nèi)的振蕩光。為此，研究團隊巧妙設計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，為將這些放大光轉化為高強度的超短脈沖，團隊使用了“半導體飽和吸收鏡（SESAM）”。與普通反射鏡不同，SESAM的反射率會隨著光的強度而變化。當光的強度超過某個閾值時，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。

團隊期待能進一步將該脈沖壓縮到少周期范圍，這對于產(chǎn)生阿秒脈沖至關重要。阿秒級脈沖可幫助科學家更深入地觀察物質(zhì)內(nèi)部的超快物理現(xiàn)象，進一步揭示微觀世界隱藏的奧秘。

（2024年10月15日 劉霞 科技日報）

韓國商用量子計算機達到

“化學精度”

科技日報2024年10月15日報道，韓國昆諾瓦（Qunova）計算公司14日宣布了近期在3臺含噪中等規(guī)模量子（NISQ）計算機上進行的一系列測試的結果。在每項演示中，昆諾瓦的算法均能以低于現(xiàn)實世界量子化學應用所需的1.6毫哈特里閾值的準確度產(chǎn)生結果，這一水平被稱為“化學精度”。這是在商用設備上首次實現(xiàn)這一成果。

在2024年韓國量子大會期間，昆諾瓦使用一臺來自芬蘭量子初創(chuàng)企業(yè)（IQM）的20量子比特計算機展示了化學精度。這一實驗連續(xù)演示了3天，每天實時在活動現(xiàn)場對硫化鋰的3種不同幾何結構進行一小時的能量估算。在此之前，昆諾瓦還使用IBM的“鷹”量子處理器進行了一項24量子比特的實驗，展示了其算法在模擬硫化鋰基態(tài)能量時能達到0.1毫哈特里的計算準確度，這遠遠超出了化學精度所需的水平。

這些結果表明，昆諾瓦開發(fā)的量子算法與硬件無關。這些測試是在包括硫化鋰、硫化氫、水和甲烷在內(nèi)的多種分子上進行的。

昆諾瓦的解決方案可在所有類型的量子計算機上運行，并提供足夠的計算準確度來進行高級化學計算。這與在傳統(tǒng)計算機上使用傳統(tǒng)變分量子本征求解器（VQE）進行的模擬不同，后者模擬不具有可擴展性。此外，昆諾瓦通過使用其新型簡化VQE（稱為“HiVQE”）實現(xiàn)了此前量子系統(tǒng)從未達到的精度。

這一突破的關鍵在于昆諾瓦開發(fā)的一種在量子計算過程中不攜帶誤差的計算方法，使計算運行效率提高了1 000倍。結果表明，與傳統(tǒng)的VQE相比，使用HiVQE解決方案可將計算這些問題所需的計算資源減少到千分之一以下。因此，昆諾瓦估計，其算法在使用僅有40～60量子比特的NISQ機器時，就能為化學計算提供相對于經(jīng)典計算機的量子優(yōu)勢。

（2024年10月15日 張佳欣 科技日報）

多路復用無線傳輸速度創(chuàng)紀錄

科技日報2024年10月16日報道，英國科學家開發(fā)出一種能在寬頻率范圍傳輸多個數(shù)據(jù)流的新技術，將無線數(shù)據(jù)的傳輸速度提升至938吉比特/秒。這一速度是當前英國5G手機網(wǎng)絡平均速度的9 000多倍，也是多路復用數(shù)據(jù)傳輸?shù)男录o錄。相關論文發(fā)表于最新一期《光波技術》雜志。

在音樂會、體育比賽等大型活動中，以及繁忙的火車站等場所，無線信號的需求量極大，但這也常常導致移動電話網(wǎng)絡癱瘓。主要原因在于，5G網(wǎng)絡運行的帶寬有限。目前，各國分配給5G網(wǎng)絡的頻率大多在6千兆赫以下，且頻率范圍相對較窄。

為了突破這一瓶頸，倫敦大學學院科學家將無線電波和光波結合，在比以往同類實驗更寬的頻率范圍——從5千兆赫到150千兆赫內(nèi)傳輸數(shù)據(jù)。實驗結果顯示，無線數(shù)據(jù)的傳輸速度高達938吉比特/秒，相當于每秒能下載超過20部平均長度的電影。這一超高傳輸速度有望催生更多應用程序，也能確保大多數(shù)人獲得足夠帶寬傳輸流媒體數(shù)據(jù)。

研究團隊解釋說，目前科學家通常借助數(shù)—模轉換器通過空氣以無線電波發(fā)送1和0，但這些設備在更高頻率下很難工作。他們另辟蹊徑，將該技術用于較低頻率范圍，并將另一種激光技術用于較高頻率范圍。兩者結合創(chuàng)建了一個數(shù)據(jù)寬帶，這些數(shù)據(jù)可被集成到下一代智能手機的硬件，從而實現(xiàn)超高速數(shù)據(jù)傳輸。

這項技術不僅創(chuàng)下多路復用數(shù)據(jù)傳輸紀錄，對無線通信的未來也至關重要。

研究團隊表示，在更寬頻率范圍分發(fā)信號，就像把當前狹窄而擁擠的5G網(wǎng)絡通道變成“高速公路”。他們目前正與智能手機制造商和網(wǎng)絡運營商協(xié)商，希望未來的6G網(wǎng)絡能應用此項技術。

（2024年10月16日 劉霞 科技日報）

范德華力堆疊技術造出

糾纏光子對

科技日報2024年10月16日報道，新加坡南洋理工大學科學家開發(fā)出一項新技術，使用厚度僅1.2微米的超薄二氯化鈮氧化物（NbOCl2）薄片來產(chǎn)生量子計算所需的糾纏光子對，有望將關鍵組件的尺寸縮小至原來的千分之一。這一成果代表著范德華力堆疊技術應用的新方向。相關論文14日發(fā)表在《自然·光子學》上。

研究人員解釋說，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行，具有獨特優(yōu)勢。當光子以糾纏對形式產(chǎn)生時，可以保持量子態(tài)，能以更快速度同時執(zhí)行多項計算。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，尤其是在使用較薄材料的情況下。

為了解決這一問題，研究團隊使用了具有特殊光學性質(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齊，成功創(chuàng)建了糾纏光子對，且無需額外同步設備。這為開發(fā)可擴展且高效的量子光子系統(tǒng)帶來了可能，有望將量子技術直接集成到基于芯片的平臺中。

范德華力工程是一種通過堆疊二維材料來調(diào)整材料特性的技術，已被用于從超導到分數(shù)量子反常霍爾效應等各種應用。該研究成功的關鍵在于創(chuàng)新了堆疊技術，將兩片超薄NbOCl2以垂直角度堆疊，從而實現(xiàn)了偏振糾纏——這是量子計算的一項基本要求。據(jù)團隊介紹，幾十年來，偏振糾纏光子對一直是量子光學實驗的基礎，但通常需要使用更大、更笨重的材料。通過范德華力工程，可以無需這些大型裝置就能產(chǎn)生偏振糾纏光子。

通過堆疊材料薄片，研究團隊生成了具有高度量子相干性的光子對。他們測量了偏振糾纏態(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用不僅可能對量子計算產(chǎn)生影響，還可能對安全通信和其他量子技術產(chǎn)生深遠影響。如果將量子元件縮小至目前的千分之一，有望帶來更加緊湊、可擴展且節(jié)能的量子系統(tǒng)。

（2024年10月16日 張佳欣 科技日報）

歐幾里得望遠鏡致力

繪制最精確宇宙地圖

科技日報2024年10月17日報道，據(jù)英國《新科學家》雜志網(wǎng)站最新報道，歐洲空間局去年7月升空的歐幾里得空間望遠鏡目前正致力于繪制出迄今最大、最精確的宇宙地圖，該項目第一幅圖像于近日在意大利舉行的國際宇航大會上發(fā)布。

歐洲空間局科學主任卡羅爾·蒙代爾在國際宇航大會上透露，這幅由260張圖像拼接而成的馬賽克圖片，是歐幾里得望遠鏡在4月份為期兩周的觀測中拍攝的，分辨率達208億像素，捕捉到1400多萬個星系的璀璨身影。但對浩瀚宇宙來說，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，細長的藍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，科學家可看到數(shù)億光年外的旋轉星系相互作用，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器捕獲。

在接下來的6年里，歐幾里得望遠鏡將自動掃描大約三分之一的夜空。研究人員估計，最終獲得的“宇宙地圖”將橫跨100億年的漫長宇宙歷史，囊括約80億個星系，其中每個星系都包含數(shù)十億顆恒星。

歐幾里得項目科學家瓦萊里亞·佩托里諾在發(fā)布會上表示，歐幾里得望遠鏡將通過觀察星系團和其他現(xiàn)象，如引力如何彎曲光線，來測量物質(zhì)在空間和時間中的精妙分布。此外，由于暗能量和暗物質(zhì)會影響星系團之間空隙的形成，測量這些空隙也可以幫助科學家深入揭示暗物質(zhì)和暗能量的特征。

（2024年10月17日 劉霞 科技日報）

新型量子比特運行

無需外部磁場

科技日報2024年10月18日報道，據(jù)最新一期《自然通訊·材料》雜志報道，一個由日本國家信息與通信技術研究所（NICT）和名古屋大學等機構組成的團隊，開發(fā)出了世界上首個無需外部磁場即可運行的超導通量量子比特。傳統(tǒng)上，超導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才能工作，而這款新型量子比特利用了鐵磁約瑟夫森結（π結），從而可在沒有磁場的情況下運作。這為高性能量子計算機的發(fā)展提供了新的可能性。

在眾多類型的量子比特中，超導量子比特的量子態(tài)比較容易操控，因此廣受科學家青睞。這些量子比特的核心組件是π結，它對于控制量子比特的操作至關重要。

當前，傳輸子量子比特非諧性低，在大量集成時會面臨頻率擁擠的問題。相比之下，采用3個π結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，通量量子比特的擴展受到限制，因為它們依賴于外部線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，團隊將硅基氮化物超導量子比特技術與鐵磁約瑟夫森器件相結合，創(chuàng)造了一種帶有π結的通量量子比特。這種π結能夠在不使用外部磁場的情況下產(chǎn)生180度相位偏移，使得量子比特能在最優(yōu)條件下獨立運行。

團隊表示，這項創(chuàng)新減少了噪聲干擾，簡化了電路設計，并促進了量子比特的大規(guī)模集成。盡管該量子比特的相干時間僅為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π結的傳統(tǒng)通量量子比特。不過，消除對外部磁場的需求標志著向更加高效和經(jīng)濟的量子技術邁進了一大步。

（2024年10月18日 張佳欣 科技日報）

柔性傳感器以邊緣計算

實現(xiàn)健康監(jiān)測

科技日報2024年10月21日報道，由日本北海道大學和東京大學領導的一個研究團隊，制造出一種柔性多模態(tài)可穿戴傳感器貼片，并開發(fā)出相應的邊緣計算軟件。該軟件能夠安裝在智能手機上，通過分析傳感器收集的數(shù)據(jù)，監(jiān)測用戶是否出現(xiàn)心律失常、咳嗽和跌倒等情況。這項研究于21日發(fā)表在《設備》雜志上。

可穿戴傳感器是可以佩戴在身上并檢測身體狀態(tài)的設備，屬于物聯(lián)網(wǎng)（IoT）的一部分，在健康監(jiān)測方面展現(xiàn)出巨大潛力。這些傳感器會產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)，人們需要對這些數(shù)據(jù)進行處理才能理解。在傳感器或其連接的設備上（而非云端遠程服務器）處理這些數(shù)據(jù)的計算領域，被稱為邊緣計算。邊緣計算是可穿戴傳感器技術的關鍵要素。

此次，研究團隊制造的傳感器能夠監(jiān)測心臟活動、呼吸、皮膚溫度以及由出汗引起的濕度。在確認其適合長期使用后，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藍牙模塊，可連接到智能手機。

該團隊首先在3名志愿者身上測試了傳感器貼片檢測生理變化的能力。志愿者將傳感器貼片貼在胸前，用于監(jiān)測他們在濕球黑球溫度（用于確定是否可能有熱應激）為22℃和29℃以上時的生命體征。團隊還開發(fā)了一個機器學習程序來處理記錄的數(shù)據(jù)，以檢測其他癥狀，如心律失常、咳嗽和跌倒。同時，他們?yōu)橹悄苁謾C設計了一個邊緣計算應用程序，可進行同樣分析，預測準確率超過了80%。

這項研究的重大進展在于，將多模態(tài)柔性傳感器、實時機器學習數(shù)據(jù)分析和使用智能手機進行遠程生命體征監(jiān)測相結合，提出了一種基于貼片的邊緣計算系統(tǒng)的概念。未來，該系統(tǒng)將在日常生活中檢測身體的早期疾病跡象，還可用于遠程醫(yī)療或診斷中。

（2024年10月21日 張佳欣 科技日報）

百億億次計算化學任務

“移師”云端

科技日報2024年10月21日報道，最新一期《化學物理學報》報道了一項由美國能源部太平洋西北國家實驗室牽頭，并與微軟和多家國家實驗室及大學合作的項目。該項目旨在將百億億次計算化學任務遷移到云計算環(huán)境以及新興硬件技術（TEC4）上，從而為科學計算資源向可持續(xù)生態(tài)系統(tǒng)轉型提供了一個清晰的路線圖。這種生態(tài)系統(tǒng)能夠隨著技術進步而不斷進化。

通過這個項目，研究團隊展示了云計算的靈活性和迅速響應能力，其能夠作為傳統(tǒng)高性能計算設施的補充選項。他們證明了將軟件即服務與云計算資源整合是可行的，這一概念驗證預示著云計算能為解決復雜科學問題提供多樣化的支持手段，標志著科學計算領域的一次重要變革。

云計算的應用已經(jīng)超越了簡單的數(shù)據(jù)存儲范疇，比如照片和文檔檔案托管。如今，它已成為金融服務、制藥等行業(yè)的重要組成部分。本項目特別關注于將新型化學品在多領域應用潛力的高度計算密集型算法遷移至云端。

研究結果顯示，借助云計算的速度與靈活性，可以在幾天內(nèi)完成以往需要數(shù)月才能完成的高級計算化學任務。過去十年間，計算化學不僅證明了自己在解決復雜科學難題上的能力，還能夠指導實驗并做出預測。美國能源部擁有的超級計算機提升了這方面的能力，特別是達到百億億次級水平后，更是為應對極其復雜的挑戰(zhàn)提供了強有力支持。

然而，隨著工具和技術發(fā)展，解決問題所需的時間和成本也在上升。認識到這一點的研究團隊指出，云計算加上跨行業(yè)的協(xié)作模式為利用更廣泛的計算資源，應對更多樣化的問題帶來了機遇。

例如，團隊使用微軟Azure平臺及其復雜的工作流來探討難以直接實驗觀察到的分子動力學現(xiàn)象。這類模擬對于理解原子尺度下的分子相互作用至關重要，但由于其高度復雜性而要求大量的計算支持。團隊還以分解持久性環(huán)境污染物——全氟辛酸為例，展示了如何運用計算化學來開發(fā)實際有效的環(huán)境修復策略。

（2024年10月21日 張夢然 科技日報）