隨著人工智能技術的迅猛發展, 傳統計算架構在算力、能耗和效率等方面都面臨嚴峻挑戰. 物理神經網絡以其獨特的物理屬性, 正在突破這些瓶頸, 開辟全新路徑. 自旋體系憑借低能耗、高并行性、非易失性和優異的耐久性, 成為構建智能計算硬件的理想平臺.封面圖片以人腦剪影和自旋網絡為背景, 展示了自旋物理神經網絡在類腦智能計算中的應用圖景與發展潛力. 詳見本期專題.

悅讀科學

嫦娥返回樣品揭示月球中期磁場演化
蔡書慧

無路區可作為中國保護區擴張的潛力空間

陳舒婷, Moreno Di Marco, 李彬彬, 李裕瑞

亮點述評

Nat10調控精子發生: 生殖生物學研究中的新表觀轉錄組學研究前沿
史慶華

科技前沿

國際生態峰會鄭州宣言: 推進生態文明建設, 共創可持續的美好未來
劉俊國, Robert Costanza, Ida Kubiszewski, Bai-lian Larry Li, 陳發虎, John W. Day, Peter H. Gleick, Anastassia Makarieva, Jacqueline M. McGlade, Stuart L. Pimm, Natalie Stoeckl, 朱永官

觀點

國際概念驗證計劃對我國醫學科技創新資助機制的啟示

姚剛, 王斐, 朱元貴, 孫瑞娟

醫學領域概念驗證作為橋接基礎研究與臨床應用的關鍵環節, 在國際上已成為推動醫學科技創新及成果轉化的重要驅動力. 本文梳理概念驗證的內涵及其發展, 借鑒醫學領域的國際先進經驗, 淺析醫學領域概念驗證研究的資助策略, 以期為我國醫學科技創新資助機制提供有益參考.

程惠紅, 惠鶴九, 潘永信, 曹晉濱, 崔峻, 鄭袁明, 李薇, 高陽, 熊巨華, 劉哲, 姚玉鵬

國家自然科學基金委員會地球科學部整合增設了“D08 月球與行星科學”. 該學科體系由基礎學科、支撐技術和發展領域3個板塊構成, 共11個二級申請代碼. 設立月球與行星科學學科旨在強化我國在行星科學領域的基礎研究和人才培養, 助力推動航天強國和科技強國建設.

面向人工智能的物理神經網絡專題

編者按
面向人工智能的物理神經網絡器件、算法和架構

郭杭聞, 袁喆, 沈健

進展

基于自旋的智能器件與物理神經網絡進展

劉祥語, 文輝, 雷坤, 蘭修凱, 王開友

在物聯網和人工智能時代, 解決計算能源需求升級至關重要. 傳統計算機系統性能受限, 促使探索新計算范式. 自旋電子器件因非易失、速度快、高能效等特點, 或可破解傳統電子器件困境. 本文從自旋人工電子突觸、振蕩器神經元、人工神經網絡及概率網絡四方面綜述最新進展. 自旋物理神經網絡的發展有望引領新一輪信息技術革命.

磁斯格明子類腦器件

劉藝舟, 杜海峰

本文回顧了磁斯格明子類腦器件的最新進展, 闡述了其在人工神經元和突觸中的應用前景. 磁斯格明子憑借其拓撲特性、穩定性和低功耗特性, 有望為實現類腦計算器件提供新的路徑. 本文從磁斯格明子的基本物理性質、器件工作原理入手, 進一步討論了斯格明子類腦器件在當前和未來應用中面臨的挑戰與機遇.

評述

基于磁性隧道結的人工神經形態器件

王雨杰, 張黎可, 羅仁涓, 魯怡萌, 方彬, 曾中明

本文在人工智能快速發展的背景下, 系統梳理了神經形態芯片的發展歷程, 詳細介紹了基于磁性隧道結(MTJ)的自旋憶阻器、自旋振蕩器和自旋隨機數發生器在模擬神經元和突觸方面的最新進展. 同時, 提出并分析了器件陣列化和硬件神經網絡等問題, 并對脈沖神經網絡、斯格明子磁結構等前沿研究方向進行了展望, 為該領域的研究提供了重要參考.

論文

由超順磁隧道結構建的類腦運動預測追蹤模型

張梅婷, 趙莉, 黃曉東, 夏鈳, 袁喆, 弭元元

受大腦預測追蹤運動目標的神經計算機制的啟發, 本文基于超順磁隧道結構建了具有負反饋效應的連續吸引子網絡. 計算仿真和理論分析表明, 該模型能有效預測運動目標的空間位置, 預測時間與負反饋強度相關且恒定, 并在小連接范圍、器件不均一及噪聲環境下仍具魯棒性. 該研究為類腦計算材料的發展提供了新思路.

利用單個自旋電子神經元實現類批量歸一化算法

許焯, 辛玥, 袁正平, 周康, 楊雨夢, 高盛華, 祝智峰

本文探討了自旋電子器件在人工神經元中的應用, 提出利用自旋轉矩動態調節激活函數斜率, 實現類似批量歸一化的效果, 在不增加能耗的前提下, 優化了神經網絡的響應速度, 為自旋電子神經網絡的硬件實現提供了新思路.

葉曉舟, 段威, 曹真, 王楷元, 游龍

2024年諾貝爾物理學獎授予了John J. Hopfield和Geoffrey E. Hinton. 早在20世紀, Hinton就提出了玻爾茲曼機和受限玻爾茲曼機(RBM), 掀起了人工智能研究的熱潮. 然而, 使用傳統CMOS電路實現RBM資源消耗大且效率較低, 自旋電子學器件的應用有望改善這一現狀. 本文設計了一種基于自旋軌道力矩磁性隧道結器件的隨機二值神經元器件(SOT-BSN), 并進一步構建了基于RBM的推薦系統, 揭示了SOT-BSN在未來人工智能和機器學習領域的應用潛力.

香山科學會議專欄 · 低碳催化與二氧化碳利用

進展/ 化學與能源科學

二氧化碳化學轉化的科學基礎及其路徑

何良年, 李紅茹, 謝汶均, 武安國, 趙蘭, 張永康, 姚向陽, 陳金梅

本文從熱力學、動力學角度分析CO2轉化涉及的分子活化、作用機制、能量變化、催化劑的理性設計等基礎科學問題及其轉化途徑, 重點評述了CO2資源化現狀, 分析面臨的挑戰, 并提出建議. 二氧化碳化學科學原理為發展CO2資源化新反應與新技術提供理論支撐, 推動CO2基產品的規?；瘧?

論文/ 化學與能源科學

甲烷干重整高性能Ni/SiO2@La2O3核殼催化劑

李彬, 肖勇山, 劉昭鐵, 劉忠文

以Ni/SiO2納米球為核, 采用簡單的浸漬法, 成功制備了結構完好的Ni/SiO2@La2O3核殼催化劑. 在較為苛刻的甲烷干重整反應條件下(CH4/CO2 = 1、750℃和60000 mL g?1 h?1), 該催化劑的初始甲烷轉化率接近熱力學平衡值, 且反應90 h后未見顯著降低, 表現出良好的抗燒結和抑制積炭能力.

Cu/In2O3催化轉化煙道氣中二氧化碳制備甲酰胺

倪紅巖, 趙康, 柳淑娟, 崔新江, 石峰

甲酰胺是一種重要的工業中間體, 其合成已成為研究熱點. 本研究制備了高效的In2O3負載的Cu催化劑, 用于辛胺與煙道氣和氫氣的N-甲酰化反應. 在最優反應條件下, Cu/In2O3對胺的甲?；磻憩F出良好的反應性能. 此外, Cu/In2O3還展現出優異的循環使用性和廣泛的底物適用性.

CO2驅油封存優勢竄流識別及調控優化

趙輝, 陳子風, 盛廣龍, 孟凡坤, 曹琳, 劉波濤

CO2驅油技術是提高油藏采收率、實現CO2封存的有效方式, 但受實際地質儲層特征影響, 其驅油封存效果不佳. 本文建立CO2驅油封存數值模擬模型, 提出井間優勢路徑識別方法, 以路徑劈分系數及克里斯琴森均勻系數為標準篩選需要調控優化的注采井組, 在提高CO2埋存量的同時改善優勢竄流情況.

評述

醫學科學

“長新冠”: 事實、證據與機制

秦士杰, 李艷華, 樊春祥, 王建安, 麻曉鵬, 高福

本文回顧了“長新冠”(long COVID)的定義與起源、病程相關因子以及檢測和治療手段, 還對其致病機制進行了總結: 包括SARSCoV-2持續存在、長期免疫失調、線粒體功能障礙、血管內皮損傷與凝血障礙、人體微生態失調、潛伏病毒再激活, 以及激素或神經遞質紊亂等. 文中還對我國的“長新冠”研究現狀進行了討論和展望, 以促進對“長新冠”的全面認識.

論文

醫學科學

基于唾液16S rRNA基因測序和機器學習算法確定血瘀體質肺結節良惡性診斷的微生物標志物

黃春霞, 馬瓊, 鐘楊, 曾瀟, 何佳瑋, 李雪珂, 王倩, 付西, 任益鋒, 由鳳鳴

血瘀質是肺癌的高風險體質類型, 在肺癌發生的早期階段——肺結節, 特別關注血瘀質人群具有重要意義. 本研究從唾液微生物組入手, 運用16S rRNA基因測序技術與機器學習算法, 系統揭示了血瘀質肺結節患者的微生物組特征及其功能差異, 構建了高效能的肺結節良惡性診斷模型, 并篩選出一組特異性微生物標志物, 為肺癌早期診斷提供了非侵入性、高靈敏度的新方法.

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