国外一本计算机系统教程：《深入系统》（），作者为来自西点军校与斯沃斯莫尔学院的博士。

国外一本计算机系统教程：《深入系统》（），作者为来自西点军校与斯沃斯莫尔学院的博士。 教程将从 C 语言展开，带你了解 C 语言调试工具、二进制、冯诺依曼结构、汇编、代码优化、共享内存等相关知识 ​​​

超越二进制：怀俄明大学研究人员用二维磁性器件实现类脑概率计算机

超越二进制：怀俄明大学研究人员用二维磁性器件实现类脑概率计算机 访问：Saily - 使用eSIM实现手机全球数据漫游 安全可靠 源自NordVPN 磁控技术的突破怀俄明大学的一个研究小组创造了一种创新方法，可以控制超薄二维范德华磁体中的微小磁态这一过程类似于打开电灯开关控制灯泡。怀俄明大学物理与天文学系助理教授、量子信息科学与工程中心临时主任田纪发说："我们的发现可能会带来存储更多数据、功耗更低的先进存储设备，或者能够开发出全新类型的计算机，快速解决目前难以解决的问题。"怀俄明大学物理与天文系助理教授、量子信息科学与工程中心临时主任田纪发。资料来源：怀俄明大学田是一篇题为"Tunneling current-controlled spin states in few-layer van der Waals magnets"的论文的通讯作者，该论文于5月1日发表在《自然通讯》（Nature Communications）上。了解范德华材料范德瓦耳斯材料由结合力较强的二维层组成，这些二维层通过较弱的范德瓦耳斯力在三维空间结合在一起。例如，石墨就是一种范德华材料，在工业中广泛用于电极、润滑剂、纤维、热交换器和电池。研究人员可以利用层间范德华力的性质，使用Scotch胶带将层间剥离成原子厚度。研究小组开发了一种被称为磁隧道结的装置，它使用三碘化铬一种只有几个原子厚的二维绝缘磁体夹在两层石墨烯之间。通过向夹层发送微小的电流（称为隧道电流），磁铁的磁畴（大小约为100纳米）方向就能在单个三碘化铬层中得到控制。磁自旋控制的进展具体来说，"这种隧道电流不仅能控制两个稳定自旋态之间的切换方向，还能诱导和操纵瞬变自旋态之间的切换，即随机切换。这一突破不仅引人入胜，而且非常实用。与传统方法相比，它的能耗要低三个数量级，就像把旧灯泡换成发光二极管一样，这可能会改变未来技术的游戏规则，"田说。"我们的研究可以开发出比以往更快、更小、更节能、更强大的新型计算设备。我们的研究标志着二维极限磁学的重大进展，并为新型、功能强大的计算平台（如概率计算机）奠定了基础。"开发概率计算机传统计算机使用比特将信息存储为 0 和 1。这种二进制代码是所有传统计算过程的基础。量子计算机使用量子比特，可以同时表示"0"和"1"，从而成倍提高处理能力。田说："在我们的工作中，我们开发出了你可能认为是概率位的东西，它可以根据隧道电流控制概率在'0'和'1'（两种自旋状态）之间切换。这些比特基于超薄二维磁体的独特特性，能以类似大脑神经元的方式连接在一起，形成一种新型计算机，即概率计算机。"新技术带来计算革命"这些新型计算机之所以具有潜在的革命性意义，是因为它们能够处理对传统计算机甚至量子计算机来说都极具挑战性的任务，例如某些类型的复杂机器学习任务和数据处理问题，它们具有天然的容错性，设计简单，占用空间较小，这可能会带来更高效、更强大的计算技术"。编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：

超级计算机破解超级钻石合成密码

超级计算机破解超级钻石合成密码 超级计算机模拟预测了难以捉摸的 BC8"超级金刚石"的合成途径，其中涉及金刚石前驱体的冲击压缩，为正在 NIF 进行的"发现科学"实验提供了灵感。资料来源：Mark Meamber/LLNL钻石是已知最坚硬的材料。然而，据预测，另一种形式的碳甚至比钻石更坚硬。挑战在于如何在地球上制造它。八原子体心立方（BC8）晶体是一种独特的碳相：不是金刚石，但非常相似。据预测，BC8 是一种更坚固的材料，其抗压性能比金刚石高出 30%。据信，富碳系外行星的中心就有这种晶体。如果能在环境条件下回收 BC8，它就可以被归类为超级钻石。理论启示与实验挑战根据理论预测，在超过 1000 万个大气压的压力下，这种碳的结晶高压相是最稳定的碳相。南佛罗里达大学（USF）物理学教授、最近发表在《物理化学通讯》（The Journal of Physical Chemistry Letters）上的一篇论文的资深作者伊万-奥利尼克（Ivan Oleynik）说："在环境条件下，碳的BC8相将是一种新的超硬材料，可能比金刚石更坚硬。"地外联系劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL）科学家马里乌斯-米洛特（Marius Millot）说："尽管为合成这种难以捉摸的碳晶相做出了无数努力，包括之前的国家点火装置（NIF）活动，但至今仍未观测到这种碳晶相。"但我们相信，富碳系外行星中可能存在这种物质。"最近的天体物理观测表明，系外行星中可能存在富碳行星。这些天体具有相当大的质量，在其内部深处承受着高达数百万个大气压的巨大压力。了解 BC8 的独特性能Oleynik说："因此，这些富碳系外行星内部的极端条件可能会产生钻石和BC8等碳的结构形式。因此，深入了解BC8碳相的特性对于开发这些系外行星的精确内部模型至关重要。"BC8 是硅和锗的高压相，可在环境条件下恢复，理论表明 BC8 碳也应在环境条件下保持稳定。 LLNL 科学家兼合著者 Jon Eggert 说，钻石之所以如此坚硬，最重要的原因是钻石结构中四个最近邻原子的四面体形状与元素周期表中第 14 列元素（从碳开始，然后是硅和锗）中四个价电子的最佳配置完全吻合。合成 BC8 的途径埃格特说："BC8结构保持了这种完美的四面体近邻形状，但没有钻石结构中的裂隙面，"他同意奥莱尼克的观点，"在环境条件下，BC8碳相可能比钻石更坚硬"。通过在全球速度最快的超大规模超级计算机"Frontier"上进行数百万次原子分子动力学模拟，研究小组发现了金刚石在极高压下的极端陨变性，大大超出了其热力学稳定性范围。成功的关键在于开发出了非常精确的机器学习原子间势，它能在各种高压和高温条件下以前所未有的量子精度描述单个原子之间的相互作用。Oleynik说："通过在基于GPU（图形处理单元）的前沿技术上高效地实现这一潜能，我们现在可以在实验时间和长度尺度的极端条件下精确地模拟数十亿碳原子的时间演化。我们预测，只有在碳相图的一个狭窄的高压、高温区域内，才能通过实验获得后金刚石 BC8 相。"BC8 研究的未来前景其意义是双重的。首先，它阐明了以往实验无法合成和观察难以捉摸的 BC8 碳相的原因。这一限制源于 BC8 只能在非常狭窄的压力和温度范围内合成。此外，该研究还预测了可行的压缩途径，以进入这一高度受限的领域，从而实现 BC8 的合成。目前，Oleynik、Eggert、Millot 和其他人正在合作，利用 NIF 上的"发现科学"镜头分配来探索这些理论途径。该团队梦想着有一天能在实验室中培育出 BC8 超级金刚石，只要他们能合成这种相，然后将 BC8 种子晶体恢复到环境条件下。编译自:ScitechDaily ... PC版： 手机版：

新研究揭示重新配置的经典计算机有能力超越量子计算机

新研究揭示重新配置的经典计算机有能力超越量子计算机 量子计算被誉为一种在速度和内存使用方面都能超越经典计算的技术，有可能为预测以前不可能预测的物理现象开辟道路。许多人认为，量子计算的出现标志着经典或传统计算模式的转变。传统计算机以数字比特（0 和 1）的形式处理信息，而量子计算机则采用量子比特（量子位），以 0 和 1之间的数值存储量子信息。在某些条件下，这种以量子位处理和存储信息的能力可用于设计量子算法，从而大大超越经典算法。值得注意的是，量子以 0 和 1 之间的数值存储信息的能力使得经典计算机很难完美地模拟量子计算机。然而，量子计算机很不稳定，容易丢失信息。此外，即使可以避免信息丢失，也很难将其转化为经典信息，而经典信息是进行有用计算的必要条件。经典计算机不存在这两个问题。此外，巧妙设计的经典算法可以进一步利用信息丢失和翻译这两个难题，以比以前想象的要少得多的资源模拟量子计算机正如最近发表在《PRX Quantum》杂志上的一篇研究论文所报告的那样。科学家们的研究结果表明，与最先进的量子计算机相比，经典计算可以通过重新配置来执行更快、更精确的计算。这一突破是通过一种算法实现的，这种算法只保留了量子态中存储的部分信息只够精确计算最终结果。纽约大学物理系助理教授、论文作者之一德里斯-塞尔斯（Dries Sels）解释说："这项工作表明，改进计算的潜在途径有很多，包括经典方法和量子方法。此外，我们的工作还凸显了利用容易出错的量子计算机实现量子优势有多么困难。"为了寻求优化经典计算的方法，塞尔斯和他在西蒙斯基金会的同事们把重点放在了一种能忠实呈现量子比特之间相互作用的张量网络上。这些类型的网络出了名的难处理，但该领域的最新进展使得这些网络可以借用统计推理的工具进行优化。作者将该算法的工作与将图像压缩成 JPEG 文件进行了比较，JPEG 文件可以通过消除信息，在几乎感觉不到图像质量损失的情况下，使用更少的空间来存储大型图像。"为张量网络选择不同的结构，就相当于选择不同的压缩形式，就像为图像选择不同的格式，"领导该项目的 Flatiron 研究所约瑟夫-廷德尔（Joseph Tindall）说。"我们正在成功开发用于处理各种不同张量网络的工具。这项工作反映了这一点，我们相信，我们很快就会进一步提高量子计算的标准。"编译自:ScitechDaily ... PC版： 手机版：

科学家研制出世界上首个3D打印 "大脑模型"

科学家研制出世界上首个3D打印 "大脑模型" 在维也纳医科大学和维也纳工业大学的一个联合项目中，开发出了世界上第一个三维打印的"大脑模型"，该模型以脑部纤维结构为模型，可以使用一种特殊的磁共振成像（dMRI）进行成像。由维也纳医科大学和维也纳工业大学领导的科研团队在一项研究中表明，这些大脑模型可用于推进神经退行性疾病（如阿尔茨海默氏症、帕金森氏症和多发性硬化症）的研究。这项研究成果发表在《先进材料技术》（Advanced Materials Technologies）杂志上。磁共振成像（MRI）是一种广泛使用的诊断成像技术，主要用于检查大脑。核磁共振成像可在不使用电离辐射的情况下检查大脑的结构和功能。在磁共振成像的一种特殊变体扩散加权磁共振成像（dMRI）中，还可以确定大脑中神经纤维的方向。然而，在神经纤维束的交叉点很难正确确定神经纤维的方向，因为不同方向的神经纤维会在那里重叠。为了进一步改进流程以及测试分析和评估方法，一个国际团队与维也纳医科大学和维也纳工业大学合作开发了一个所谓的"大脑模型"，该模型是利用高分辨率三维打印工艺制作的。带有微通道的小立方体维也纳医科大学的研究人员作为核磁共振成像专家，维也纳工业大学的研究人员作为三维打印专家，与苏黎世大学和汉堡大学医疗中心的同事密切合作。早在2017年，维也纳工业大学就开发出了一种双光子聚合打印机，可以实现升级打印。在此过程中，还与维也纳医科大学和苏黎世大学共同开展了脑模型的使用案例研究。由此产生的专利构成了脑模型的基础，该模型现已开发完成，并由维也纳工业大学的研究与转让支持团队负责监督。从外观上看，这个幻影与真正的大脑并无太大区别。它要小得多，形状像一个立方体。它的内部是非常细小的、充满水的微通道，大小与单个颅神经相当。这些通道的直径比人的头发丝还要细五倍。为了模仿大脑中精细的神经细胞网络，第一作者迈克尔-沃莱茨（Michael Woletz）（维也纳医科大学医学物理和生物医学工程中心）和弗兰兹斯卡-查鲁帕-甘特纳（Franziska Chalupa-Gantner）（维也纳工业大学3D打印和生物制造研究小组）领导的研究小组使用了一种相当不寻常的3D打印方法：双光子聚合。这种高分辨率方法主要用于打印纳米和微米级的微结构，而不是打印立方毫米级的三维结构。为了为 dMRI 制作合适尺寸的模型，维也纳科技大学的研究人员一直在努力扩大三维打印工艺的规模，以便能够打印出具有高分辨率细节的更大物体。高比例三维打印为研究人员提供了非常好的模型，在 dMRI 下观察时，可以确定各种神经结构。Michael Woletz 将这种提高 dMRI 诊断能力的方法与手机相机的工作方式进行了比较："我们看到，手机相机在摄影方面取得的最大进步并不一定是新的、更好的镜头，而是改进所拍摄图像的软件。dMRI 的情况也类似：利用新开发的大脑模型，我们可以更精确地调整分析软件，从而提高测量数据的质量，更准确地重建大脑神经结构。"改进 dMRI分析软件因此，真实再现大脑中的特征神经结构对于"训练"dMRI 分析软件非常重要。使用三维打印技术可以创建可修改和定制的各种复杂设计。因此，大脑模型描绘的是大脑中产生特别复杂信号并因此难以分析的区域，如交叉的神经通路。因此，为了校准分析软件，需要使用 dMRI 对大脑模型进行检查，并像分析真实大脑一样分析测量数据。由于采用了三维打印技术，模型的设计是精确可知的，分析结果也可以检查。作为联合研究工作的一部分，维也纳医科大学和维也纳理工大学已经证明了这一点。所开发的模型可用于改进 dMRI，从而有利于手术规划和神经退行性疾病（如阿尔茨海默氏症、帕金森氏症和多发性硬化症）的研究。尽管概念得到了验证，但团队仍然面临着挑战。目前最大的挑战是扩大这种方法的规模："双光子聚合的高分辨率使得打印微米和纳米范围的细节成为可能，因此非常适合颅神经成像。但与此同时，使用这种技术打印一个几立方厘米大小的立方体也需要相应的时间，"Chalupa-Gantner 解释说。"因此，我们不仅要开发更复杂的设计，还要进一步优化打印过程本身"。编译自:ScitechDaily ... PC版： 手机版：

科学家制成“世界上最纯净的硅” 量子计算机真的要来了吗？

科学家制成“世界上最纯净的硅” 量子计算机真的要来了吗？ （来源:《自然?通讯材料》官网截图）尽管量子计算领域的研究成果往往晦涩难懂，但量子计算机和量子这个概念却在生活中频繁出现（比如名梗：遇事不决量子力学）。那么，量子计算究竟是什么？量子计算机真的可能实现吗？有没有可能用生活中的概念去尝试理解它们？为了让大家对量子计算有一个初步的了解，我们这里尽可能地以通俗化、具象化的语言来跟大家聊聊量子计算的那些三五事儿。量子计算（机）究竟是解决什么问题的？与经典计算不同，量子计算遵循量子力学规律，它是能突破经典算力瓶颈的新型计算模式。量子计算机以量子比特为基本运算单元，所谓的量子比特，是与经典比特作为区分。量子计算的发展历程（来源：国际商业机器公司 IBM）以上句子看起来很难理解，我们这里逐句拆解进行讲述。量子计算，看到对于这种冠有“量子”title 的名词，我们很难不将其与量子力学联系起来。自然而然，这种基于量子力学原理的计算方式与传统的经典计算有着本质的不同。具体来说，在经典计算中，信息是通过二进制数字（bits）来表示的，这种二进制数字或为 0 或为 1，类似一个只有开和关两个状态的“开关”。然而，量子计算打破了这一传统，信息是通过另一种方式即量子比特（qubits）来表示的，这种量子比特可以同时处于 0 和 1 的状态，也就是一种叠加态（这里可以参考薛定谔老先生那只既死又活的神奇猫咪）。除此之外，量子比特之间还可以存在某种特殊的关联，称为量子纠缠，这更类似一个可以处于多个状态的“开关旋钮”。经典信息（左）与量子信息（右）（来源：本源量子）凭借其独特的特性，量子计算机便能够利用量子比特进行计算，并且计算能力可以实现指数级爆炸式增长（这是因为 r 个量子比特可以承载 2r 个状态的叠加态，从而在每次计算中实现 2r 倍的计算量。相比之下，经典计算机需要 2r 个经典比特才能实现同样的算力）。因此量子比特在计算某些特定数学问题方面更胜一筹，这就意味着量子计算机可以纵横并重塑各个领域，突破目前阻碍任何涉及量子力学的极限。量子计算机是否可以实现？要想实现量子计算，目前主流的技术路线包括超导、离子阱、半导体、光学、量子拓扑等（其中，超导和离子阱的发展最为迅速）。目前来看，每种技术路线都有其优缺点，尚未有哪种路线能够完全满足实用化的要求。实现量子计算的主要技术路线（来源：《2023 全球量子计算产业发展展望》）量子计算机利用量子比代替传统计算机中的二进制比特，通过量子叠加和量子纠缠实现计算能力的飞跃。量子计算机的概念最早可以追溯到 20 世纪 80 年代，美国物理学家理查德·费曼（Richard Feynman）提出了利用量子系统模拟其他量子系统的想法。1994 年，美国计算机科学家彼得·秀尔（Peter Shor）提出了一个量子算法，能够高效地分解大数，这一算法展示了量子计算机在解决特定问题上具有潜在优势。量子计算机的发展历程 （来源：日经中文网）进入 21 世纪以来，量子计算机的研制已成为全球科技前沿的重大挑战之一。国际商业机器公司（IBM）、谷歌（Google）、英特尔（Intel）等国际知名科技公司以及多所大学都在量子计算领域投入了大量资源。2019 年，美国谷歌公司研制出 53 个量子比特的计算机“悬铃木”，在全球首次实现量子优越性，他们宣称实现了“量子霸权”（量子处理器在特定任务上的表现超过了当时最先进的经典超级计算机）。值得注意的是，中国在量子计算领域也取得了重大进展。2020 年，中国科学技术大学潘建伟院士团队构建了 76 个光子的量子计算原型机“九章”，使中国成为全球第二个实现量子优越性的国家。2021 年，潘建伟院士团队及合作者成功研制了 113 个光子的“九章二号”和 66 比特的“祖冲之二号”量子计算原型机，使中国成为在光学和超导两条技术路线上都实现量子优越性的国家。2023 年，潘建伟院士团队及合作者又成功构建了 255 个光子的量子计算机原型机“九章三号”，在求解特定数学问题时，比目前全球最快的超级计算机快一亿亿倍，比“九章二号”速度提升了一百万倍。可以说，中国在量子计算领域已处于国际领先地位。“超纯硅”具体是怎么回事？硅是一种常见的半导体材料，广泛应用于现代电子技术中。硅基量子计算是量子计算领域的一个重要分支，它利用硅材料的特性来实现量子比特的存储和操作。具体来说，在硅基量子计算中，硅中的电子可以被限制在微小的区域内，形成所谓的量子点。这些量子点可以作为量子比特，用于存储和处理量子信息。硅基量子计算具有许多潜在的优势，包括与现有半导体工艺的兼容性（指的是其绝大多数工艺与传统的半导体工艺兼容，易于和半导体行业对接）、较长的相干时间（指的是量子比特保持其量子特性的时间）以及可扩展性（增加量子比特数目，以实现大规模量子计算），这使得它们更适合于量子计算。硅量子计算登上《自然》封面 。图片来源：《自然》杂志在经典计算抑或是量子计算，都需要具有规则晶体结构的高纯度硅，这是因为非晶硅充满悬空键、氧分子和其他杂质，导致其电性能不佳。然而，从自然界中直接提取的硅存在一个不可忽视的问题，即它包含三种稳定的同位素：硅-28（28Si）、硅-29（29Si）和硅-30（30Si）。其中，硅-29 约占硅的 4.68% ，其原子核携带非零核自旋，会通过偶极相互作用对用于编码量子比特的电子自旋造成干扰。而硅-30 仅占硅的 3.09% ，含量少且电子自旋与核自旋之间的相互作用较大。这使得只有硅-28 被认为是较为理想且纯净的量子计算材料。因此，尽可能减少硅-29 和硅-30 的影响是提升量子计算性能的关键。为了解决这一问题，研究团队利用聚焦离子束技术，从一种名叫 P-NAME 聚焦离子束系统中将一束聚焦且高速的纯硅-28 离子射向硅片，通过植入硅-28 来消耗自然硅中的硅-29 ，从而将硅-29 的比例从 4.68% 最高降至0.00023%（2.3ppm），将-30 的比例从3.09%最高降至0.00006%（0.6ppm）。随后，他们通过两步退火工艺，将植入后的非晶态重新结晶，恢复了硅片的晶体结构。该技术不仅能实现这种极端的硅-28 富集，还避免引入可能干扰量子比特的其他杂质。聚焦离子束同位素富集 Si-28 原理图（来源：《自然·通讯材料》杂志）为了验证植入效果，研究者们采用了纳米级二次离子质谱（NanoSIMS）分析（这是一种能够精确测量样品中不同同位素比例的技术）。通过分析发现，研究者们确认了植入区域中硅-29 的残留浓度显著降低，并且没有引入额外的杂质，如碳（C）和氧（O）等。此外，透射电子显微镜（TEM）分析进一步证实了植入体积的非晶态特性以及退火后的单晶相外延再结晶。这些结果表明，通过聚焦离子束技术可以在硅晶片中实现高纯度的硅-28 富集区域，为量子比特的稳定性提供了保障。这种技术制造的“超纯硅”有望在新材料设计、人工智能、能源存储以及物流制造等领域为整个社会带来革命性变革。该项目的联合导师、墨尔本大学的戴维-贾米森（David Jamieson）教授表示，他们下一步将证明该种材料能够同时维持许多量子比特的量子相干性。“悟源”系列超导量子计算机（来源：本源量子）这项杰出的工作不仅向人们展示了科学界在量子材料制备领域的进步，也为量子计算的实用化和规模化铺平了道路。随着量子技术的不断... PC版： 手机版：