2019年10大科學(xué)突破 刷新認(rèn)知同時(shí)影響生活

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　　給量子糾纏拍攝首張“寫真”

　　7月，英國物理學(xué)家首次拍攝到一種量子糾纏的照片，這一結(jié)果有望促進(jìn)量子計(jì)算等領(lǐng)域的發(fā)展。

　　在量子力學(xué)領(lǐng)域，兩個(gè)相互作用的粒子——例如通過分束器的兩個(gè)光子，無論它們相隔多遠(yuǎn)，仍能以一種非常奇怪的方式“糾纏”在一起，瞬間共享它們的物理狀態(tài)。這種聯(lián)系被稱為量子糾纏，是量子力學(xué)領(lǐng)域的基本現(xiàn)象之一，愛因斯坦曾將其稱為“幽靈般的超距作用”。

　　今天，雖然量子糾纏在量子計(jì)算和密碼學(xué)等實(shí)際應(yīng)用中大顯身手，但這種現(xiàn)象從未被拍攝到。最新研究中，英國格拉斯哥大學(xué)的物理學(xué)家設(shè)計(jì)了一套系統(tǒng)，該系統(tǒng)朝著在液晶材料上顯示的“非傳統(tǒng)物質(zhì)”發(fā)射了源于一個(gè)量子光源的一束糾纏光子，這些液晶材料會(huì)在光子通過時(shí)改變光子的相位。

　　他們放置了一臺(tái)超靈敏的相機(jī)，能夠檢測(cè)單個(gè)光子。在看到光子和與它發(fā)生糾纏的“雙胞胎”同時(shí)出現(xiàn)時(shí)，相機(jī)拍攝了圖像，首次為光子糾纏留下了珍貴的影像，得到的圖像顯示兩個(gè)光子似乎相互反射并形成了一個(gè)指環(huán)形狀。

　　論文第一作者、格拉斯哥大學(xué)物理與天文學(xué)院保羅-安東尼·莫羅博士說：“這張圖像是對(duì)自然基本屬性的優(yōu)雅展示，量子糾纏第一次以圖像的形式被看到，這一結(jié)果可推動(dòng)量子計(jì)算新興領(lǐng)域的發(fā)展，并催生新型成像技術(shù)和設(shè)備。”

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　　向“模擬大腦”邁進(jìn)

　　7月，英特爾公司展示了其最新的Pohoiki Beach芯片系統(tǒng)。其包含多達(dá)64顆Loihi芯片，集成了1320億個(gè)晶體管，擁有800多萬個(gè)“神經(jīng)元”和80億個(gè)“突觸”。該芯片系統(tǒng)在人工智能任務(wù)中的執(zhí)行速度要比傳統(tǒng)CPU快1000倍，能效可提高1萬倍，可在圖像識(shí)別、自動(dòng)駕駛和自動(dòng)化機(jī)器人等方面帶來巨大技術(shù)提升。該神經(jīng)擬態(tài)系統(tǒng)的問世，預(yù)示著人類向“模擬大腦”這一目標(biāo)邁出了一大步。

　　與人腦中的神經(jīng)元類似，Loihi擁有數(shù)字“軸突”用于向臨近“神經(jīng)元”發(fā)送電信號(hào)，也有“樹突”用于接收信號(hào)，在兩者之間還有用于連接的“突觸”。英特爾表示，基于這種芯片的系統(tǒng)已經(jīng)被用于模擬皮膚的觸覺感應(yīng)、控制假腿等任務(wù)。

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　　最輕中微子質(zhì)量被限定

　　中微子無處不在，但由于它們幾乎不與普通物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，很難被探測(cè)到，所以被稱為“幽靈粒子”。盡管經(jīng)過50多年追尋，科學(xué)家仍對(duì)它們所知甚少，甚至不知道它們的質(zhì)量。

　　8月，英國科學(xué)家限定了中微子家族中最輕成員的質(zhì)量——不超過0.086電子伏特，約為單個(gè)電子質(zhì)量的600萬分之一。

　　中微子的行為會(huì)改變整個(gè)星系和其他巨大天體結(jié)構(gòu)的行為�；�于此，研究人員從重子振蕩光譜巡天調(diào)查中獲取了約110萬個(gè)星系的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，結(jié)合其他宇宙學(xué)信息和地球上中微子實(shí)驗(yàn)獲得的結(jié)果，將所有這些信息輸入一臺(tái)超級(jí)計(jì)算機(jī)，計(jì)算出了最輕中微子的質(zhì)量(有3種中微子質(zhì)量)。

　　雖然物理學(xué)家可能永遠(yuǎn)無法精確地確定這3種中微子的質(zhì)量，但他們可以不斷接近。隨著地球上的實(shí)驗(yàn)和太空測(cè)量的改進(jìn)，中微子的質(zhì)量范圍將不斷縮小，從而更好地解釋整個(gè)宇宙是如何組合在一起的。

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　　制出世界上最黑的材料

　　9月，中美科學(xué)家報(bào)告說，他們研制出了一種比之前最黑材料還要黑10倍的材料。

　　新材料由碳納米管(CNT)陣列制成，可捕獲99.995%的入射光，是迄今為止最黑的材料。

　　這種新材料除了具有藝術(shù)表現(xiàn)力外，還可能具有實(shí)用價(jià)值，例如用于遮光罩中減少不必要的眩光、幫助太空望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)系外行星等。

　　研究合作者、上海交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院副教授崔可航表示，他們最初并不打算設(shè)計(jì)一種超黑材料，而是嘗試讓CNT在鋁等導(dǎo)電材料上生長，但讓CNT在鋁上生長遇到了麻煩。

　　鋁暴露于空氣中會(huì)被氧化，氧化物會(huì)覆蓋鋁，就像絕緣體一樣，導(dǎo)致鋁的導(dǎo)電和加熱性能無法改善。于是，他們開始尋找去除鋁氧化層的方法，結(jié)果發(fā)現(xiàn)鹽(氯化鈉)可以解決這個(gè)問題。

　　他們先把鋁箔浸泡在鹽水中，去除氧化層;然后，將鋁箔轉(zhuǎn)移到無氧環(huán)境中，防止其再氧化;最后，將蝕刻的鋁放入反應(yīng)器中，并通過化學(xué)氣相沉積法來生長CNT。

　　“最令人吃驚的是得到的新材料極黑——該材料從各個(gè)角度吸收的入射光都大于99.995%。”崔可航說。

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　　“萬物DNA”讓存儲(chǔ)無處不在

　　全球的數(shù)據(jù)量不斷增加，傳統(tǒng)的存儲(chǔ)架構(gòu)，如硬盤和磁帶，越來越難以跟上數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的需要。隨著這些裝置逐漸達(dá)到存儲(chǔ)極限，DNA被當(dāng)作一種長期存儲(chǔ)方案提了出來。

　　過去的研究已經(jīng)強(qiáng)調(diào)了DNA的持久性和存儲(chǔ)***信息的能力，現(xiàn)在研究人員已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了一種前所未有的方式，可利用其持久性進(jìn)行存儲(chǔ)。

　　10月，哥倫比亞大學(xué)著名專家、以色列計(jì)算遺傳學(xué)家亞尼夫·埃爾利赫與蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院科學(xué)家運(yùn)用“萬物DNA”特殊材料3D打印了一只“兔子”。

　　他們先將常見的計(jì)算機(jī)圖形測(cè)試模型“斯坦福兔子”的藍(lán)圖編碼為DNA兼容格式，再將其存儲(chǔ)在DNA分子中，進(jìn)而將DNA分子封裝在二氧化硅小球內(nèi)，將小球嵌入可生物降解的熱塑性聚酯中，最后使用所得的熱塑性聚酯3D打印了“兔子”。

　　之后，團(tuán)隊(duì)利用存儲(chǔ)在“兔子”中的DNA進(jìn)行復(fù)制：從3D打印兔身上截下一小塊，解碼其中包含的DNA分子。這樣創(chuàng)造出了5代“兔子”，且沒有任何信息損失，由前一代擴(kuò)增的DNA被封裝到下一代中;DNA藍(lán)圖一直保持穩(wěn)定——即使第四代和第五代之間相隔了9個(gè)月。

　　在第二項(xiàng)實(shí)驗(yàn)中，研究人員將一段有關(guān)華沙猶太區(qū)檔案的視頻編碼進(jìn)樹脂玻璃中，再用該樹脂玻璃制造普通的眼鏡。只需一小塊樹脂玻璃，就能恢復(fù)其中隱藏的信息。

　　研究團(tuán)隊(duì)由此提出了“萬物DNA”概念，將信息藏于其中，讓存儲(chǔ)無處不在。