2019年10大科学突破 刷新认知同时影响生活

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　　给量子纠缠拍摄首张“写真”

　　7月，英国物理学家首次拍摄到一种量子纠缠的照片，这一结果有望促进量子计算等领域的发展。

　　在量子力学领域，两个相互作用的粒子——例如通过分束器的两个光子，无论它们相隔多远，仍能以一种非常奇怪的方式“纠缠”在一起，瞬间共享它们的物理状态。这种联系被称为量子纠缠，是量子力学领域的基本现象之一，爱因斯坦曾将其称为“幽灵般的超距作用”。

　　今天，虽然量子纠缠在量子计算和密码学等实际应用中大显身手，但这种现象从未被拍摄到。最新研究中，英国格拉斯哥大学的物理学家设计了一套系统，该系统朝着在液晶材料上显示的“非传统物质”发射了源于一个量子光源的一束纠缠光子，这些液晶材料会在光子通过时改变光子的相位。

　　他们放置了一台超灵敏的相机，能够检测单个光子。在看到光子和与它发生纠缠的“双胞胎”同时出现时，相机拍摄了图像，首次为光子纠缠留下了珍贵的影像，得到的图像显示两个光子似乎相互反射并形成了一个指环形状。

　　论文第一作者、格拉斯哥大学物理与天文学院保罗-安东尼·莫罗博士说：“这张图像是对自然基本属性的优雅展示，量子纠缠第一次以图像的形式被看到，这一结果可推动量子计算新兴领域的发展，并催生新型成像技术和设备。”

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　　向“模拟大脑”迈进

　　7月，英特尔公司展示了其最新的Pohoiki Beach芯片系统。其包含多达64颗Loihi芯片，集成了1320亿个晶体管，拥有800多万个“神经元”和80亿个“突触”。该芯片系统在人工智能任务中的执行速度要比传统CPU快1000倍，能效可提高1万倍，可在图像识别、自动驾驶和自动化机器人等方面带来巨大技术提升。该神经拟态系统的问世，预示着人类向“模拟大脑”这一目标迈出了一大步。

　　与人脑中的神经元类似，Loihi拥有数字“轴突”用于向临近“神经元”发送电信号，也有“树突”用于接收信号，在两者之间还有用于连接的“突触”。英特尔表示，基于这种芯片的系统已经被用于模拟皮肤的触觉感应、控制假腿等任务。

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　　最轻中微子质量被限定

　　中微子无处不在，但由于它们几乎不与普通物质发生反应，很难被探测到，所以被称为“幽灵粒子”。尽管经过50多年追寻，科学家仍对它们所知甚少，甚至不知道它们的质量。

　　8月，英国科学家限定了中微子家族中最轻成员的质量——不超过0.086电子伏特，约为单个电子质量的600万分之一。

　　中微子的行为会改变整个星系和其他巨大天体结构的行为。基于此，研究人员从重子振荡光谱巡天调查中获取了约110万个星系的运动数据，结合其他宇宙学信息和地球上中微子实验获得的结果，将所有这些信息输入一台超级计算机，计算出了最轻中微子的质量(有3种中微子质量)。

　　虽然物理学家可能永远无法精确地确定这3种中微子的质量，但他们可以不断接近。随着地球上的实验和太空测量的改进，中微子的质量范围将不断缩小，从而更好地解释整个宇宙是如何组合在一起的。

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　　制出世界上最黑的材料

　　9月，中美科学家报告说，他们研制出了一种比之前最黑材料还要黑10倍的材料。

　　新材料由碳纳米管(CNT)阵列制成，可捕获99.995%的入射光，是迄今为止最黑的材料。

　　这种新材料除了具有艺术表现力外，还可能具有实用价值，例如用于遮光罩中减少不必要的眩光、帮助太空望远镜发现系外行星等。

　　研究合作者、上海交通大学材料科学与工程学院副教授崔可航表示，他们最初并不打算设计一种超黑材料，而是尝试让CNT在铝等导电材料上生长，但让CNT在铝上生长遇到了麻烦。

　　铝暴露于空气中会被氧化，氧化物会覆盖铝，就像绝缘体一样，导致铝的导电和加热性能无法改善。于是，他们开始寻找去除铝氧化层的方法，结果发现盐(氯化钠)可以解决这个问题。

　　他们先把铝箔浸泡在盐水中，去除氧化层;然后，将铝箔转移到无氧环境中，防止其再氧化;最后，将蚀刻的铝放入反应器中，并通过化学气相沉积法来生长CNT。

　　“最令人吃惊的是得到的新材料极黑——该材料从各个角度吸收的入射光都大于99.995%。”崔可航说。

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　　“万物DNA”让存储无处不在

　　全球的数据量不断增加，传统的存储架构，如硬盘和磁带，越来越难以跟上数据存储的需要。随着这些装置逐渐达到存储极限，DNA被当作一种长期存储方案提了出来。

　　过去的研究已经强调了DNA的持久性和存储***信息的能力，现在研究人员已经发现了一种前所未有的方式，可利用其持久性进行存储。

　　10月，哥伦比亚大学著名专家、以色列计算遗传学家亚尼夫·埃尔利赫与苏黎世联邦理工学院科学家运用“万物DNA”特殊材料3D打印了一只“兔子”。

　　他们先将常见的计算机图形测试模型“斯坦福兔子”的蓝图编码为DNA兼容格式，再将其存储在DNA分子中，进而将DNA分子封装在二氧化硅小球内，将小球嵌入可生物降解的热塑性聚酯中，最后使用所得的热塑性聚酯3D打印了“兔子”。

　　之后，团队利用存储在“兔子”中的DNA进行复制：从3D打印兔身上截下一小块，解码其中包含的DNA分子。这样创造出了5代“兔子”，且没有任何信息损失，由前一代扩增的DNA被封装到下一代中;DNA蓝图一直保持稳定——即使第四代和第五代之间相隔了9个月。

　　在第二项实验中，研究人员将一段有关华沙犹太区档案的视频编码进树脂玻璃中，再用该树脂玻璃制造普通的眼镜。只需一小块树脂玻璃，就能恢复其中隐藏的信息。

　　研究团队由此提出了“万物DNA”概念，将信息藏于其中，让存储无处不在。