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新型芯片开启光速AI计算之门

科技日报2月17日报道，美国宾夕法尼亚大学工程师开发了一种新型芯片，它使用光而不是电来执行训练人工智能（AI）所必需的复杂数学运算。该芯片有可能从根本上加快计算机的处理速度，同时还可降低能源消耗。相关研究发表在最新一期《自然·光子学》上。

该芯片首次将本杰明·富兰克林奖章获得者纳德·恩赫塔在纳米尺度上操纵材料的开创性研究与硅光子（SiPh）平台结合起来。前者涉及利用光进行数学计算；后者使用的是硅，即一种用于大规模生产计算机芯片的廉价且丰富的元素。

光波与物质的相互作用代表着开发计算机的一种可能途径，这种方法不受当今芯片局限性的限制。新型芯片的原理本质上与20世纪60年代计算革命初期芯片的原理相同。

研究人员在论文中描述了这种芯片的开发过程。他们的目标是开发一个执行向量矩阵乘法的平台。向量矩阵乘法是神经网络开发和功能中的核心数学运算，而神经网络是当今支持AI工具的计算机体系结构。

恩赫塔解释说，他们可将硅晶片做得更薄，比如150纳米，并且使用高度不均匀的硅晶片，但这仅限于特定区域。在无需添加任何其他材料的情况下，这些高度的变化提供了一种控制光在芯片中传播的方法，因为高度的变化可导致光以特定的模式散射，从而允许芯片以光速进行数学计算。

除了更快的速度和更少的能耗之外，新型芯片还具有隐私优势。由于许多计算可同时进行，因此无需在计算机的工作内存中存储敏感信息，从而使采用此类技术的未来计算机几乎无法被入侵。

（来源：科技日报）

超低噪声系统实现室温量子

“光学压缩”

科技日报2月20日报道，在量子力学领域，科学家一直难以在室温下观测和控制量子现象，尤其是在大尺度上。据瑞士洛桑联邦理工学院官网报道，该校科学家开发出一种超低噪声系统，在室温下实现了量子“光学压缩”。这项开创性研究有助科学家理解如何创建大而复杂的量子态。相关论文发表于最新一期《自然》杂志。

一般而言，科学家更容易在接近绝对零度的环境下检测到量子效应，但这一极低温度要求制约了量子技术的实际应用。

在最新研究中，研究团队创建了一个超低噪声光学机械系统。这是一种光和机械运动相互连接的装置。该系统使他们能够高精度地研究和操纵光影响运动的物体。室温的主要问题是热噪声，它会扰乱微妙的量子动力学。为最大限度减少这种情况，研究人员用到了专门的反射镜——腔镜，其能在有限的空间内来回反射光线，有效地“捕获”光线，并增强其与系统中机械元件的相互作用。

系统另一关键部件是一个4毫米的鼓状装置，即机械振荡器，它可与腔内的光相互作用。该装置设计精巧，尺寸相对较大，能与环境噪声隔离开来，使科学家能在室温下检测到微妙的量子现象。

研究团队可在不需要极低温度的情况下，有效地控制和观察宏观系统中的量子现象。这将有助于扩大量子光学机械系统的使用范围，在宏观尺度上开展量子测量和量子力学实验。

研究人员表示，他们新开发的系统可能会催生新型混合量子系统。在这种系统中，机械鼓可与不同物体，如被捕获的原子云，发生强烈的相互作用。

（来源：科技日报）

新型固体材料能快速传导锂离子

科技日报2月20日报道，英国利物浦大学科学家发现了一种能快速传导锂离子的固体材料。这种新型电解质有望用于研制可持续电池。相关论文发表在新一期《科学》杂志上。

研究团队使用协同计算和人工智能（AI）等变革性的方法，设计并在实验室中合成出这一新材料。随后，他们确定了新材料的结构，并将其置于电池内，展示了其性能。

电解液是锂离子电池的“血液”，在电池正负极之间起到传导离子的作用，是锂离子电池获得高电压、高比能的关键。但目前液体电解质是锂离子电池在安全性和能量密度上限方面出现短板的最核心因素。而最新电解质材料由无毒的稀土元素组成，拥有足够高的锂离子电导率，可取代液体电解质，从而提高锂离子电池的安全性和能量密度。

研究团队表示，由于新材料结构特殊，它能以不同于液体电解质的方式工作。利物浦大学化学系马特·罗塞因斯基教授称，新材料性能比那些只能为离子提供狭窄空间的固体更优异，其结构改变了以前对高性能固态电解质的理解。

研究团队强调，很多科学家正在使用AI工具搜寻新材料，AI正在改变材料研发的范式。由于AI工具独立工作，因此会以各种方式重新创建它们所训练的内容，生成的新材料可能与已知材料非常相似。

在最新研究中，他们借助AI工具寻找能将不同材料区分出来的成分和结构差异，并评估这些差异对材料性能的影响。这一颠覆性设计方法为发现更多高性能固体材料提供了新途径。

（来源：科技日报）

一种奇异电子态可实现更强大

量子计算

科技日报2月21日报道，电美国麻省理工学院物理学家在5层石墨烯中观察到了一种难以捉摸的分数电荷效应。这是结晶石墨烯中“分数量子反常霍尔效应”（“反常”指的是不存在磁場）的第一个证据。这将使一种新形式量子计算成为可能，这种类型的计算对微扰的抵抗力更强。最新一期《自然》杂志报道了这一研究结果。

在非常特殊的物质状态下，电子可由一个整体分裂成几个部分。这种被称为“分数电荷”的现象十分少见。如果它能够被聚集和控制，这种奇异的电子态可有助于建立弹性、容错的量子计算机。到目前为止，物理学家已经观察到数次分数量子霍尔效应，大多是在非常高的、精心维护的磁场下观察到的。

2023年8月，华盛顿大学的科学家报告了第一个没有磁场的分数电荷的证据。他们在一种名为二硫化钼的扭曲半导体中观察到了这种“反常”版本的效应。“无磁铁”的结果开辟了一条通向拓扑量子计算的有前途的道路，这是一种更安全的量子计算形式。这种计算方案是基于分数量子霍尔效应和超导体的组合。在这种情况下，分数电荷将充当量子比特。

此次，科学家终于在一种不需要如此强大磁场的石墨烯材料中看到了这种效果。他们发现，当5层石墨烯像台阶一样堆放时，所产生的结构本身就为电子提供了合适的条件，使其作为总电荷的一部分通过，而不需要任何外部磁场。

研究人员首先从一块石墨中剥离石墨烯层，然后使用光学工具识别阶梯状结构中的5层薄片，从而制造出两个混合石墨烯结构的样品。接着，他们将石墨烯薄片压印在六方氮化硼（hBN）薄片上，并将第二片hBN薄片放在石墨烯结构上。最后，他们将电极连接到结构上，并将其放入冰箱，温度设置为接近绝对零度。

当研究人员在材料上施加电流并测量输出电压时，他们开始看到分数电荷的特征，其中电压等于电流乘以分数和一些基本物理常数。

通过进一步分析，该团队证实了石墨烯结构确实表现出分数量子反常霍尔效应。这是第一次在石墨烯中看到这种效应。

目前，研究团队正在继续探索多层石墨烯，以寻找其他稀有电子态。

（来源：科技日报）

新技术为海量数据存储提供

“超级光盘”

科技日报2月22日报道，中国科学院上海光学精密机械研究所（以下简称“上海光机所”）阮昊研究员团队和上海理工大学顾敏院士等科研人员，利用国际首创的双光束调控聚集诱导发光超分辨光存储技术，突破了信息写入和读出的衍射极限限制。该研究为大数据存储提供了绿色、长寿命的解决方案，相关成果于2月22日发表在《自然》上。

科研人员利用双光束光存储技术突破光学衍射极限的限制，首次证实可以在三维空间实现多至百层、超分辨尺寸下的信息点的写入和读出。这项新技术可以让单张盘容量高达Pb级，相当于至少一万张蓝光光盘的容量。

相关研究表明，以50年为使用周期估算，光存储技术的平均成本相较于硬盘可以减少两个数量级，达到“以一抵百”的效果。

顾敏介绍，以深度学习模型ChatGPT为例，其背后的数据集，总索引网页数量多达58亿，整个互联网的文本大小约为56Pb。如果用1TB容量的移动硬盘存储这些数据，用到的硬盘平铺开相当于一个标准田径场那么大。而此次科研团队开发的三维纳米光存储技术，可将存储空间节省至一台电脑大小，极大地降低了成本。

“我们解决了光存储领域信息写入和读出均受衍射极限限制的问题，实现了超分辨的记录，极大地提高了光存储的密度和容量。单盘的容量可达到1.6Pb，相当于1万张蓝光光盘，这是一个突破性的进展，为大数据存储提供了绿色节能长寿命的方案。”相关研究人员介绍，最新纳米光子存储技术不仅有助于我国在数据存储领域实现突破，未来也有望在航空航天、生物医学、卫星通信等领域大显身手。

（来源：科技日报）

新型钙-氧气电池成功研发

光明日报2月17日报道，复旦大学纤维电子材料与器件研究院、高分子科学系、先进材料实验室、聚合物分子工程国家重点实验室彭慧胜/王兵杰团队，联合王永刚、周豪慎、陆俊等合作者，研发出一种新型钙-氧气电池，该电池可在室温条件下进行电化学充放电，并稳定运行700次循环，展现出高安全性和较低成本等优势。相关成果于2月7日以《室温下可充钙-氧气电池》为题在线发表于《自然》杂志。

钙金属具有低氧化还原电位和多价性等特性，结合我国丰富的钙资源，基于金属钙的电池体系在未来的能源应用中具有广阔前景。其中，钙-氧气电池具有最高的理论能量密度，但此前一直未能实现在室温下稳定充放电。

以往由于难以找到一种能与钙金属负极相匹配，且能适应高电极电势空气正极的电解质，钙-氧气电池的发展受到了严重制约。为解决这一难题，团队通过系统设计溶剂、电解质盐以及电解质配比，成功制备出一种基于二甲基亚砜/离子液体的新型电解质，有效满足了电池正负极的高要求，研发了可室温工作的新型钙-氧气电池。

据了解，该钙-氧气电池主要由三个部分构成：金属钙负极、碳纳米管空气正极和有機电解质。这一电池的设计不仅优化了性能和成本，也兼顾了环境的可持续性与在柔性电子设备中的应用要求。其中，金属钙负极不仅成本较低，还具有较高的理论容量，有利于全电池实现较高的能量密度。

（来源：光明日报）