新技术·新产品

量子计算机模拟重子首次实现向借助量子模拟理解宇宙迈出重要一步

据物理学家组织网11月11日报道，加拿大和英国科学家首次在量子计算机上模拟了基本量子粒子——重子，最新研究使科学家能借助量子模拟研究中子星，了解更多宇宙早期的情况，并发掘量子计算机更多革命性的潜力。

加拿大滑铁卢大学量子计算研究所的研究员克里斯蒂娜·穆斯克说：“这是科学家们首次在计算机上模拟重子，未来某一天，量子计算机也许可以让我们模拟这些粒子之间的相互作用。届时，科学家们或许不需要在加速器中让粒子相撞，他们可以在量子计算机上模拟这些相互作用来研究宇宙的起源等。”

穆斯克领导的量子交互小组主要研究晶格规范理论的量子模拟。这些晶格规范理论主要用于描述包括粒子物理学标准模型在内的物理学理论。规范理论包含的场、力、粒子、空间维度和其他参数越多，就越复杂，越难以利用经典超级计算机进行建模。

在最新研究中，穆斯克所在的IQC团队与英国约克大学的兰迪·李维斯合作，开发了一种资源高效的量子算法，允许他们在IBM的云量子计算机和经典计算机上，对一些基础物理学和物质开展简单的模拟。他们首次模拟了基本粒子重子。

重子由夸克组成，夸克是科学家们认为不能再分割的一种基本粒子，质子和中子都属于重子。研究人员指出，通过这一里程碑式的步骤，他们正在开辟一条用量子计算机模拟规范理论的道路，而这种模拟远远超出了目前世界上最强大的超级计算机的能力。

滑铁卢大学物理系和天文学系博士后张景磊（音译）说：“对于我们来说，这些结果令人兴奋的一点在于，未来我们可以考虑在更高密度下模拟物质，这超出了经典计算机的能力。”

研究人员指出，随着科学家不断开发出更强大的量子计算机和量子算法，他们将能够模拟更复杂的物理现象，揭示迄今最好的超级计算机也无能为力的有关宇宙的秘密。

发布时间：2021年11月15日

（来源：科技日报）

我国成功发射全球首颗可持续发展科学卫星

11月5日10时19分，我国在太原卫星发射中心用长征六号运载火箭将可持续发展科学卫星1号（SDGSAT-1）发射升空，卫星顺利进入预定轨道，发射任务取得圆满成功。

SDGSAT-1是全球首颗专门服务联合国2030年可持续发展议程（以下简称“2030年议程”）的科学卫星，也是中国科学院首颗地球科学卫星。该卫星由中国科学院“地球大数据科学工程”先导专项研制，是可持续发展大数据国际研究中心（CBAS）规划的首发星。

针对全球可持续发展目标（SDGs）监测、评估和科学研究的需求，SDGSAT-1搭载了热红外、微光和多谱段成像仪三个有效载荷，通过三个载荷全天时协同观测，旨在实现“人类活动痕迹”的精细刻画，将为表征人与自然交互作用的指标研究和对全球SDGs实现进行监测、评估和科学研究提供数据支持。

中国科学院副院长、党组副书记、空间科学卫星工程总指挥阴和俊表示，SDGSAT-1卫星是中国实质性贡献2030年议程的重要体现，是向国际社会展现大国担当的具体行动。希望以此为契机、以建设可持续发展大数据国际研究中心为抓手，充分发挥中国科学院多学科综合性优势和国家战略科技力量的特点，为2030年议程实施和构建人类命运共同体做出更大贡献。

SDGSAT-1卫星首席科学家、“地球大数据科学工程”先导专项负责人、可持续发展大数据国际研究中心主任、中国科学院院士郭华东表示，作为地球大数据资源获取的有效途径和研究地球系统科学的重要手段，空间观测能够为全球SDGs的实现做出特有贡献，能够有效地服务表征人类活动与地球环境交互作用的SDGs指标研究，对于促进可持续发展研究意义重大。期望可持续发展大数据国际研究中心能够与国内外相关机构一起，通过全球数据资源的有效获取和共享共用，为缩减全球可持续发展不平衡和区域间的数字鸿沟做出贡献。

2030年议程实施面临数据和方法的迫切需求，作为高效数据获取手段和研究方法，空间观测能够为2030年议程做出重要贡献。为此，研制、运行系列可持续发展科学卫星成为一项重要使命。2021年是中国恢复联合国合法席位50周年，SDGSAT-1卫星发射作为系列纪念活动之一，凸显了中国在科技领域为落实2030年议程所作的努力和贡献。卫星在轨运行后，其数据产品将面向全球进行共享，为国际社会，特别是发展中国家，提供开展SDGs研究所需的数据支撑。

SDGSAT-1卫星工程任务由中国科学院负责组织实施，可持续发展大数据国际研究中心为该卫星主用户方，中科院国家空间科学中心负责工程大总体和地面支撑系统的研制建设，中科院微小卫星创新研究院负责卫星系统研制，卫星有效载荷由中科院上海技术物理研究所、长春光机所、空天信息创新研究院研制。科学应用系统由中科院空天信息创新研究院研制。测控系统由中国西安卫星测控中心负责。用于这次发射任务的运载火箭由中国航天科技集团有限公司第八研究院（805所）研制，此次任务是长征六号运载火箭的第8次飞行任务。

发布时间：2021年11月5日

（来源：科技日报）

神舟十三号航天员乘组圆满完成首次出舱活动全部既定任务

新华社北京11月8日电（记者王逸涛、郭中正）据中国载人航天工程办公室消息，北京时间11月8日1时16分，经过约6.5小时的出舱活动，神舟十三号航天员乘组密切协同，圆满完成出舱活动全部既定任务，航天员翟志刚、王亚平安全返回天和核心舱，出舱活动取得圆满成功。

这是中国载人航天工程空间站阶段第三次航天员出舱活动，是神舟十三号航天员乘组首次出舱活动，也是中国航天史上首次有女航天员参加的出舱活动。航天员出舱活动期间，天地间大力协同、舱内外密切配合，先后完成了机械臂悬挂装置与转接件安装、舱外典型动作测试等任务，全过程顺利圆满，进一步检验了我国新一代舱外航天服的功能性能，检验了航天员与机械臂协同工作的能力及出舱活动相关支持设备的可靠性与安全性。

发布时间：2021年11月8日

（来源：新华网）

神舟十三号航天员乘组圆满完成首次出舱活动全部既定任务

新华社北京11月8日电（记者王逸涛、郭中正）据中国载人航天工程办公室消息，北京时间11月8日1时16分，经过约6.5小时的出舱活动，神舟十三号航天员乘组密切协同，圆满完成出舱活动全部既定任务，航天员翟志刚、王亚平安全返回天和核心舱，出舱活动取得圆满成功。

这是中国载人航天工程空间站阶段第三次航天员出舱活动，是神舟十三号航天员乘组首次出舱活动，也是中国航天史上首次有女航天员参加的出舱活动。航天员出舱活动期间，天地间大力协同、舱内外密切配合，先后完成了机械臂悬挂装置与转接件安装、舱外典型动作测试等任务，全过程顺利圆满，进一步检验了我国新一代舱外航天服的功能性能，检验了航天员与机械臂协同工作的能力及出舱活动相关支持设备的可靠性与安全性。

发布时间：2021年11月8日

（来源：新华网）

高分三号02星发射

记者从国家航天局获悉，11月23日7时45分，我国在酒泉卫星发射中心用长征四号丙遥三十七运载火箭成功发射高分三号02星。该卫星将进一步提升我国卫星海陆观测能力，服务海洋强国建设和支撑“一带一路”倡议。

高分三号02星运行于755公里高度太阳同步回归轨道，主要载荷为C波段合成孔径雷达。该星充分继承了高分辨率对地观测系统重大科技专项高分三号卫星技术方案，发射入轨后将与在轨运行的高分三号卫星进行组网，形成海陆雷达卫星星座，具备1米分辨率、1天重访的能力。此外，它还增加了船舶自动身份识别信号接收系统和星上实时处理功能，提高对海上船舶观测、海上突发事件与海陆自然环境的监测能力，可满足海洋权益维护、海洋防灾减灾、海洋动力环境监测，以及减灾、国土、环保、水利、农业和气象等领域应用需求。

此次任务是长征系列运载火箭的第398次发射。

发布时间：2021年11月24日

（来源：中国科学报）

我国科学家发现金刚石新形态

记者日前从北京高压科学研究中心获悉，该中心缑慧阳研究员团队及其合作者利用高温高压手段首次制备了一种新形态金刚石——次晶态金刚石，该形态是科学家们一直寻找的具有中程有序结构的金刚石。此外，他们发现次晶态金刚石显示出优越的力学性能和热稳定性，在高端技术领域和极端环境应用领域具有重要的应用前景，相关成果于近日在《自然》发表。

通常情况下，根据是否存在长程周期性，固体被分为结晶态和非结晶态。当晶体的长程有序度显著降低时，理解这两种状态之间的差别变得异常困难，特别是对于强共价和类共价固体。因此，理论科学家们提出了一种“次晶态结构模型”，这种“次晶模型”本质是在非晶基体中引入纳米尺寸的次晶晶格来解释非晶态晶体的中程有序结构。

该研究团队使用富勒烯作为原料通过自主开发的大腔体压机极端高压技术对富勒烯进行高温高压处理，发现压缩的富勒烯聚合转变成为一种高密度无序的碳。高分辨透射电子显微镜显示样品中存在高密度且均匀分布的类晶体团簇（尺寸为0.5～1.0nm），其原子构型接近于立方和六方金刚石并且具有很高的晶格畸变，这种由亚纳米尺寸次晶为主要构成的金刚石被称为次晶金刚石。他们进一步用大尺度分子动力学模拟证实了这种隐藏的结构有序性，建立了与实验结果高度匹配的次晶金刚石模型。

“与非晶硅相比，非晶金刚石在两个原子配位壳层内存在超强的类金刚石短程有序性，这一特征有利于中程有序结构的形成。另外，次晶金刚石的合成还高度依赖于富勒烯前驱物的本身结构特点。”缑慧阳解释。

发布时间：2021年11月29日

（来源：光明日报）

机器学习可预测未上市新型人造毒品

英国《自然·机器智能》杂志15日发表一项计算生物学突破，包括加拿大英属哥伦比亚大学在内的研究团队研发了一种自动化、生成式的机器学习方法，可以仅利用质谱就确定未知的新型精神药物（又称人造毒品）的化学结构，了解这些结构能帮助法医实验室更快识别出疑似的人造毒品。

每年有大量新型精神药物出现在非法市场上，这些药物会造成与已知非法药物相近的精神效果，但其合成方式使其在化学上与已知非法药物有所不同，这些药物规避了现有的毒品法规，甚至难以被侦测。法医实验室使用质谱分析法在查封药片或粉末中识别已知人造毒品。但是，要弄清一种全新人造毒品的结构，通常需要化学专家工作数周或数月，并且需要用到多种实验技术。

加拿大英属哥伦比亚大学研究人员迈克尔·斯金奈德及其同事，此次使用全球各地法医实验室众包的保密数据，训练了一个机器学习模型。他们所使用的算法也被称为深度神经网络，其灵感来自于人脑的结构和功能。机器学习产生了结构和性质都类似于近期人造毒品的分子。该模型随后产生了一个数据库，包含十亿种潜在新型精神药物的结构。用模型训练结束后新收集的数据测试该模型，发现这一方法可以仅用质谱就确定未知人造毒品。在准确结构难以精准确定的实例中，该模型建议的结构，与未知人造毒品非常相似。

研究人员发现，该模型还可帮助人们了解到哪些分子更有可能出现在市场上，哪些不太可能。研究人员总结说，用其他数据集训练的类似的生成方法，也可以帮助识别其他特定领域未知分子的结构，例如识别新型兴奋剂或者环境污染物。

研究资深作者、阿尔伯塔大学计算科学教授戴维·维斯哈特表示，这一模型意义有点类似2002年的科幻电影《少数派报告》，其可以对即将发生的犯罪活动有所预知，从而帮助显著减少犯罪，“从本质上讲，这一新成果为执法机构和公共卫生计划提供了一个所谓‘先机’，让他们知道需注意什么。”

斯金奈德表示，该模型仅仅通过精确的质谱测量就阐明整个化学结构，而将数十亿个结构的列表缩小到10个候选结构，大大加快了化学家识别新药物的速度。

发布时间：2021年11月16日

（来源：科技日报）

人类基因组也曾“漂洋过海”

英国《自然》杂志近日发表的一篇人类学论文称，研究团队根据21个太平洋岛屿人群的430名当代人类的基因组，推断了波利尼西亚人的定居时间和航行路线，同时揭示了这些曾“漂洋过海”的遗传关联。

波利尼西亚的各个岛屿分散在占地球1/3面积的一片浩瀚海面上。人类在这片广阔地区的定居是人类迁徙史上的一大奇迹，但人类在波利尼西亚各岛屿的定居时间和顺序一直存在争议。

此次，包括墨西哥国立理工学院科研与高级研究中心科学家在内的研究团队，使用一个包括430名现今人类样本的数据集，来揭示这些广袤而分散的太平洋岛屿背后的详细遗传学历史。历史学家和波利尼西亚口头传统证明了规模在30人至200人的家庭群体，曾乘坐双壳独木舟穿越几千公里的大洋，前往一个个新的波利尼西亚岛屿定居。而此次这些基因组分析显示，整个迁徙始于萨摩亚，首先在公元9世纪扩散至拉罗汤加岛（库克群岛）；公元11世纪扩散至名为社会群岛的岛屿；公元12世纪抵达南方群岛西部和“Tuāmotu”群岛；最后抵达日后因巨石像而闻名的一些岛屿：北边的马克萨斯群岛、南边的赖瓦瓦埃岛，以及波利尼西亚岛最东边的复活节岛，并在公元1200年前后通过芒阿雷瓦群岛完成了定居。

这则新证据显示，有史前巨石像遗存的几个分散岛屿之间虽然隔着数千英里的大洋，但却存在着遗传关联。

发布时间：2021年11月17日

（来源：科技日报）

“超级果冻”材料可抗汽车碾压

英国剑桥大学研究人员开发了一种柔软而坚固的新材料，外观和感觉就像软软的果冻，但其可承受相当于大象站在上面的重量，在压缩时就像一块超硬、防碎的玻璃。其还可完全恢复到原来的形状，即使其80%的成分是水。

无论是软的还是硬的、脆的还是强的，材料的行为方式取决于其分子结构。有弹性的橡胶状水凝胶具有许多有趣的特性，如韧性和自愈能力，使其成为研究的热门主题，但制造能够承压而不破碎的水凝胶是一个挑战。

该新材料的非水部分是聚合物网络，通过控制材料机械性能的可逆开/关相互作用保持在一起。这是第一次将如此显著的抗压性融入软材料中。研究人员称，玻璃状水凝胶的成功研制，开启了高性能软材料领域的新篇章。

该研究的第一作者、剑桥大学化学系黄泽欢（音译）博士说，为了制造具有所需机械性能的材料，研究人员使用了可逆交联剂。

研究团队使用称为葫芦脲的桶状分子来制造可以承受压缩的水凝胶。葫芦脲就是一种交联分子，它将两个客体分子固定在其空腔中，就像一个分子“手铐”。研究人员设计的客体分子在空腔内停留的时间比正常情况长，这使聚合物网络保持紧密连接，使其能够承受压缩。

研究人员表示，在80%的水含量下，一般认为它会像水气球一样破裂，但事实并非如此，它仍保持完整并承受巨大的压力。研究还发现，简单地改变“手铐”内客体分子的化学结构，就可轻松控制抗压强度。

为了制造类似玻璃的水凝胶，研究团队为“手铐”选择了特定的客体分子。改变“手铐”内客体分子的分子结构使材料的动力学显著“减慢”，最终水凝胶的机械性能从橡胶状变至玻璃状。

“超级果冻”具有广泛的潜在应用，包括柔性机器人、生物电子学，甚至作为用于生物医学的软骨替代品。在演示中，这种“超级果冻”材料可在汽车碾压后也幸存下来。研究人员还制作了一个水凝胶压力传感器，用于实时监测人体运动，包括站立、行走和跳跃。

目前，研究人员正在与工程和材料科学家合作，进一步开发这些材料以用于生物医学和生物电子学。相关研究成果公布在《自然·材料》上。

发布时间：2021年11月25日

（来源：科技日报）

对目标接收者清晰 对其他人是噪音 新芯片将挫败5G无线传输窃听者

据最新一期《自然·电子学》杂志发表的论文，美国研究人员开发出一种新的毫米波无线微芯片，该芯片实现了一种可防止拦截的安全无线传输方式，同时又不会降低5G网络的效率和速度。该技术将使窃听5G等高频无线传输变得非常具有挑战性。

现有通信加密方法可能难以扩展到5G等高速和超低延迟系统。这是因为加密的本质要求发送方和接收方之间交换信息以加密和解密消息。这种交换使链接容易受到攻击，它还需要增加延迟的计算。对于自动驾驶汽车、机器人和其他网络物理系统而言，最大限度地缩短行动时间至关重要。

为了弥补这一安全差距，普林斯顿大学研究人员开发了一种方法，将安全性纳入信号的物理性质。该方法不依赖于加密，而是通过使窃听者所在位置的信号看起来几乎像噪音来挫败其企图。研究人员通过随机分割消息并将消息的不同部分分配给阵列中的天线子集来做到这一点。研究人员能够协调传输，以便只有在预期方向上的接收器才能以正确的顺序组合信号。在其他任何地方，分割后的信号都以类似噪声的方式到达。

研究人员称，原则上，这就是传输安全背后的秘密武器——通过对这些高频电磁场进行精确的空间和时间调制来实现。如果窃听者试图通过干扰主传输来截取消息，则会导致传输出现问题并被预期用户检测到。尽管理论上，有可能多个窃听者一起工作来收集类似噪声的信号并尝试将它们重新组合成相干传输，但这样做所需的接收器数量将“非常大”。

莱斯大学教授爱德华·奈特利表示，该项工作第一次通过实验展示了如何利用从多个同步观察点收集的机器学习数据来战胜一个复杂的对手，是确保未来网络安全的“一个重要里程碑”。

发布时间：2021年11月29日

（来源：科技日报）

新研究称地球水源或来自太阳

据29日发表在《自然-天文学》杂志上的论文，英国格拉斯哥大学领导的国际研究小组发现，地上的水可能来自“天上”——太阳。太阳风由来自太阳的带电粒子（主要是氢离子）组成，在太阳系早期撞击地球的小行星所携带的尘埃颗粒表面产生了水。

澳大利亚科廷大学空间科学技术中心主任菲尔·布兰德表示，与太阳系中的其他岩质行星相比，地球上的水资源非常丰富，海洋覆盖了地球上约70%的表面积。长期以来，科学家一直对水的确切来源感到困惑。

布兰德说：“现有理论认为，水是在C型小行星（含碳的小行星）形成的最后阶段被带到地球上的。然而，之前对这些小行星的同位素‘指纹’测试发现，平均而言，它们与地球上发现的水不匹配，这意味着至少还有另一个未知的来源。”

此次研究表明，太阳风在微小的尘埃颗粒表面产生了水，这种同位素较轻的水很可能为地球提供了水源。

S型小行星是以硅为主要成分的小行星，是继C型小行星之后第二大的星群。通过对S型近地小行星“丝川”的微小碎片进行逐个原子分析，研究人员得出了这一新的“太阳风理论”。碎片样本由日本隼鸟号小行星探测器收集，于2010年带回地球。

位于澳大利亚科廷大学的世界级原子探针断层扫描系统让研究人员能够非常详细地观察“丝川”小行星表面的纳米级尘埃颗粒。他们发现，这些颗粒含有足够的水，如果将其按比例放大，大约等于每立方米岩石含20升水。

格拉斯哥大学卢克·戴利博士表示，这项研究不仅让科学家们对地球水资源的来源有了了解，还有助于未来的太空任务。

“宇航员如何在不携带补给的情况下获得足够的水，是未来太空探索的障碍之一。”戴利说，“研究表明，‘丝川’小行星上产生水的太空风化过程，很可能也发生在其他没有空气的行星上，这意味着宇航员或可直接从行星表面的尘埃中制取新鲜的水源，比如在月球上。”

发布时间：2021年11月30日

（来源：科技日报）

洞察号“洞察”到火星地下200米 进一步揭露红色星球深处地质历史

根据英国《自然·通讯》杂志近日发表的一项行星科学分析，美国国家航空航天局洞察号探测器正在采集火星地震数据，此次获得了火星埃律西昂平原地下约200米深处的次表层影像，可知熔岩流之间夹着一层浅浅的沉积层。研究结果增进了人们对火星地质历史的进一步认识。

洞察号火星探测器可被视为先前大获成功的凤凰号探测器的升级版，其着陆器于2018年11月26日降落在红色星球的埃律西昂平原地区。火星无疑是大量行星科学任务的目的地，但洞察号是首个专门利用地震技术测量火星次表层的探测器。

此次，瑞士苏黎世联邦理工学院研究团队利用地震数据，分析了埃律西昂平原的构成。团队通过这些数据分析了深度达200米的浅次表层。他们发现该地区有一个浮土层，主要为沙质，约3米厚，它的下面有一层约15米厚的粗糙块状喷出物（陨石撞击后被喷出又落回表面的岩石块）。在这些表层之下，他们发现了约150米厚的熔岩流，与预期的次表层结构基本一致。

研究人员利用当前文献中的撞击坑计数进行了测年，发现浅层可追溯至17亿年前的亚马逊纪，更深的熔岩流可追溯到36亿年前的西方纪。团队还发现了一个30—40米厚的地层，其地震速度较低，提示其中沉积物质的硬度不如更硬的玄武岩层。

研究人员认为，这个地层可能由夹在西方纪和亚马逊纪玄武岩之间的沉积物组成，或是由亚马逊纪玄武岩本身的沉积物组成。

发布时间：2021年11月29日

（来源：科技日报）