Where experiences, discoveries and creative journeys meet

Science and Technology

A DNA double helix threads through the landscape of living tissue, its branches reaching toward the organs that age on their own clocks — muscle, brain, liver, fat. The body does not grow old all at once.

同步的时钟：衰老是全身性的统筹编排吗？

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自拍肖像，图片来源：Junyue Cao 博士 大规模单细胞图谱研究表明，衰老在各组织间协同进行，且起始时间早于此前预期 编者按 衰老常被描述为个体组织内损伤的逐渐累积。然而，曹俊越（Junyue Cao）博士及其团队的最新研究提出了不同视角。在 2026 年 2 月 26 日发表于《科学》（Science）杂志的研究中，该团队构建了大规模衰老表观基因组图谱，对跨越不同年龄、性别的 21 种哺乳动物组织及近 700 万个细胞进行了深入分析。 研究聚焦于染色质可及性（Chromatin Accessibility），此特性决定了每个细胞可用的基因调控景观。在检测的约 130 万个基因组区域中，约 30 万个表现出随年龄增长的变化。其中约 1,000 个区域在多个组织间表现出协同转变，相似的调控元件在免疫细胞、肾脏、脂肪组织及肺部同步开启或关闭。该数据集的宏大规模，得益于其实验室开发的 EasySci 高通量方法。 结果表明，衰老涉及解剖学上截然不同的组织间协同的调控变化。研究同时揭示了显著的性别差异，并提示循环免疫信号或许是系统性效应的潜在中介。值得注意的是，若干变化在成年早期便已显现，而非始于晚年。 — Adelina 引言 传统模型将衰老视为组织特异的过程，由局部损伤积累驱动。在此模型中，各器官衰退很大程度上彼此独立，系统间的协作极为有限。 曹博士团队的数据则支持另一框架：衰老涉及一套跨组织运行的共享调控程序。通过染色质可及性分析，研究识别出约 1,000 个基因组区域在多种细胞类型中发生一致变化，部分案例波及 60 多个不同细胞群体。此类模式难以用纯粹的局部机制解释，反而暗示了系统性的统筹协作。 数据集同时揭示了功能衰退的早期征兆。在小鼠实验中，肌肉、肾脏及脂肪组织内的再生细胞群于成年早期便开始减少，远早于肉眼可见的衰老迹象。与此同时，免疫细胞群发生扩张，此现象与炎症活动的增强高度吻合。 性别差异同样显著。约 40% 与衰老相关的细胞变化在雌雄间存在差异，雌性展现出更广泛的免疫激活。此模式或许解释了已知免疫相关疾病中的性别偏差。 对比分析进一步显示，老年免疫细胞的染色质状态，与受细胞因子刺激诱导的年轻细胞状态相似。该发现支持了一种模型：慢性炎症信号传导直接驱动了衰老相关的调控变化，而非仅仅是其伴生后果。 该图谱已于 epiage.net 公开。曹博士将其视为起点。以下是关于此发现的对话：关于它揭示了什么，开启了什么，以及它如何改变了一位科学家对时间的思考。 访谈录 Our Narratives 您的研究绘制了 21 种组织中近 700 万个细胞的图谱，发现衰老相关变化在相距遥远的器官间高度同步。即便在没有直接物理接触的组织中，相似的细胞状态也会共同起落。初次看到这种模式时，您反应如何？此现象令您感到惊讶，还是印证了某种怀疑？ 坦白说，两者兼而有之。在概念层面上，我们预料到会有某些协同性。毕竟全身都浸浴在循环激素、细胞因子和代谢产物中，若每个器官都完全孤立衰老，反而显得奇怪。但这种同步的程度与精准度超出了预期。尤其是观察免疫细胞亚型时，我们发现同种亚型（如特定的巨噬细胞或 B […]

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A mind without a center — intelligence as the brain's global architecture, not any single region.

智能架构

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Self portrait, Image credit: Ramsey Wilcox 为什么心智的统一性来自大脑整体结构，而不是某个单一脑区 编者按 在现代神经科学的长久历史中，对智能的探索始终被视为一场绘制大脑图谱的尝试。过去，研究者致力于在特定区域寻找推理、记忆与问题解决的功能坐标。数十年的脑成像研究确实识别出许多与注意力、执行控制、语言及感知相关的核心部位。然而，一个更深层的问题始终悬而未决：为何如此多样且广泛的智能特质，会呈现出高度的关联性与同步性？ 此次对话旨在探讨科学家看待上述课题时的深刻视角转轨。研究重点已不再局限于追问“智能居于何处”，而是日益聚焦于大脑整体的组织方式。此类新兴观点认为，智能并非受限于单一脑区，而是从整个系统的架构中涌现。其本质源自庞大神经网络在处理信息时的效率、灵活性与全局协调。 ——Adelina 为什么在某一个认知领域表现出色的人，往往在所有领域都表现出色？一个多世纪以来，上述模式始终困扰着科学家。一代又一代的神经影像研究不断揭示出各类扫描图像，突出额叶、顶叶皮层以及那些被视为认知能力枢纽的特定网络。然而，至今尚无研究能真正解释，为何智能表现得像心智的统一属性，而非一堆孤立技能。 来自圣母大学（University of Notre Dame）的一项新研究给出了一个令人信服的答案。关键不在于任何一个特定的脑区，而在于整个大脑的组织方式。这项由 Aron Barbey 教授和第一作者 Ramsey Wilcox 领导的研究，于2026年1月发表在《Nature Communications》上。他们测试了网络神经科学理论（Network Neuroscience Theory）的四个具体预测，分析了人类连接组计划（Human Connectome Project）中831名成年人的脑成像数据，并结合一个独立的145名成人样本进行验证。他们的发现重新理解了智能的本质：智能是大脑系统本身的属性，源于大脑网络间高效、灵活且高度一致的协作。 我们采访了该研究的博士生兼第一作者 Ramsey Wilcox，探讨了将核心命题从“智能何在？”转向“大脑如何组织？”的深远意义，并解析了此类转变所揭示的心智本质。 Predictive brain connections for general intelligence distributed across twelve functional networks. Each panel shows connections identified by machine learning as predictors of individual differences in

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Inside a living bacterium, a reconstructed nitrogenase enzyme — its iron-sulfur backbone rendered in the rust-red of ancient metal — glows at the cell's core. The rock that cradles it is Archean. So is the molecule. Only the cell is new.

永恒不变之分子

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Holly Rucker，威斯康星大学麦迪逊分校细菌学系 Kaçar 实验室博士候选人。她的研究论文 “Resurrected nitrogenases recapitulate canonical N-isotope biosignatures over two billion years” 于 2026 年 1 月 22 日发表在《自然通讯》。图片来源：威斯康星大学麦迪逊分校 Kaçar 实验室。 Holly Rucker 谈复活 32 亿年前之酶、从岩石读解生命及古老机制恒定不变的意义 编者按 这场对话始于我对威斯康星大学麦迪逊分校 Betül Kaçar 教授实验室发出的邀请。我此前一直关注该实验室一项极其独特的研究，其独特性不仅体现在研究成果，更在于其提出的科学问题。该研究成功重建了固氮酶，亦即负责将大气氮转化为生物可用形式的关键酶，的祖先版本，并将其植入现代细菌中。 研究结果既可以看作一种实验验证，也揭示了深层的启示：这种酶产生的同位素特征在逾 30 亿年的岁月中始终未变。Kaçar 实验室的博士候选人兼该研究首席作者 Holly Rucker 接受了我们的书面采访。以下内容记录了她的工作方法、研究中的意外发现，以及至今仍令她深思的科学难题。 — Adelina 科学的胜利与深层的质疑 若将此故事视作一场胜利，版本大抵如下：科学家重建原始酶并将其植入活体细菌，细菌随后正常运行。研究确认，岩石记录所留下的分子特征与地质学家的假设完全吻合。假设得证，工具获准。 然而在描述 Kaçar 实验室的工作时，Holly Rucker 讲述的版本并非如此。其自述并非始于证实，而是始于质疑：质疑解读古代生命的基本假设是否存在误区。这一过程体现了卓越的方法论：并非盲目寻找化石，而是根据预测序列构建模型，并观察其在活细胞内的实际运行。 最终结论不仅具备科学性，亦充满哲学意味：某种事物历经 30 亿年的分子更迭、星球动荡及整个生命类群的兴替，依然维持着完全相同的化学反应。 固氮酶：生命基调的引擎 固氮酶作为故事核心，乃是设定本星球生命基调的引擎。获取生物可用氮虽有非生物途径，如闪电驱动的反应，但普遍认为扩张中的生物圈需求已超越此类来源，从而为生物固氮提供了演化压力。若无此机制，便无法产生构建 DNA

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Light orbits a brain made transparent, and what it finds inside is not darkness but chemistry. Each region glowing in its own frequency, each molecule leaving its signature in the color of scattered light.

以光解读大脑

Art2, Science and Technology /

黄声希教授，莱斯大学电气与计算机工程及生物工程副教授，领导 SCOPE 实验室。在那里，光成为读取细胞分子生命的一种语言。图片来源：Jeff Fitlow / Rice University 王子洋，莱斯大学电气与计算机工程博士生，致力于在拉曼光谱与机器学习的交汇处绘制阿尔茨海默病的分子景观。图片来源：Jorge Vidal 黄声希与王子洋谈阿尔茨海默病分子图谱：不染色，不标记，也不预设寻找目标 编者按 自开始关注阿尔茨海默病领域以来，一个问题始终困扰着我：为何在经历数十年的研究、针对单一分子目标投入数十亿美元后，该病依然难以治愈？当我读到莱斯大学黄声希教授 SCOPE 实验室的工作时，感到一种全新的观察方式正在降临。该团队来自生物学领域之外，利用光线读取处于原始化学状态的大脑组织。 这项发表在 2026 年初《ACS Applied Materials and Interfaces》上的研究，首次制作出动物模型中阿尔茨海默病大脑的完整无标记分子图谱。通过超光谱拉曼成像与机器学习，团队逐层绘制了整个大脑的化学变化，过程中未引入任何染料或分子标记。最终发现的事实远超淀粉样蛋白斑块的范畴。 黄教授与该研究第一作者、莱斯大学电气与计算机工程博士生王子洋共同撰写了下文回复。他们在发布前对技术准确性进行了校审。 ——Adelina 在过往大部分历史中，阿尔茨海默病研究都处于一种必然的收缩状态。面对极其复杂的疾病，科学家选定目标，如淀粉样蛋白斑块与 tau 蛋白缠结，并围绕其建立方法。所用工具虽然强大精准，却属于特定维度的精准：研究者选定分子，设计标记物，随后看见预设的目标。 SCOPE 实验室遵循不同逻辑。该方法不以目标为起点，而以问题开始：组织中究竟存在什么，分布在何处？其利用拉曼光谱技术，通过物质散射光的方式读取分子指纹，从而观察大脑组织的天然化学状态。无染料，无荧光标记，不对存在物做任何预先承诺。 这一结果构成了首个无标记生成的阿尔茨海默病全脑分子图谱。该图谱由数千个重叠的光谱测量点逐层构建，并经由机器学习算法分析，能够识别出人类感官无法察觉的模式。最终揭示出一种并不局限于斑块且分布并不均匀的疾病。与之相关的化学变化以不规则、区域特异性的模式分布于全脑。在与记忆最相关的区域，海马体和皮质，胆固醇与糖原代谢的紊乱与预料中的淀粉样蛋白积累一同显现。 黄声希从光学光谱与纳米材料领域跨界而来，而非出自生物学背景。在她看来，大脑与她职业生涯中研究的薄层材料具有某种共同点：它位于基底，具有分层结构，并蕴含着光可读取的分子信息。王子洋主导了技术开发，最初他仅测量大脑的一小块区域，随后提出了一个简单的问题：如果我们绘制整个大脑会怎样？最终出现的并非对已知事物的印证，而是一张挑战传统视角的地图。 两束激光逐点扫描脑组织横截面，返回的并非照片，而是一幅化学肖像。每一个像素都编码着其下方物质的分子特征。最终生成的图谱以颜色呈现浓度，使那些任何染料都无法预先命名的变化得以显现。图片来源：Ziyang Wang / Shengxi Huang Research Group, Rice University   对话 Our Narratives 请谈谈您的学术历程。早期的训练如何引导您进入材料科学与生物成像的交汇领域？在哪一时刻您意识到这些工具可用于神经退行性疾病研究？ 黄声希：我早期受训于光学光谱与纳米材料领域。我曾研究二维材料与有机分子的相互作用，发现某些二维材料能增强特定分子的拉曼信号。于是我开始思考这种效应是否适用于更复杂的生物分子，并转化为实际应用。博士阶段后期，我开始接触生物分子，结果令人振奋。建立研究组后，我决定利用这种独特现象深耕生物传感领域。作为教职人员拥有追求独特想法的自由。幸运的是，我遇到了优秀的合作者，他们教授我大量阿尔茨海默病知识并提供样本，促成了目前的成果。 Our Narratives 您的实验室处于多个学科的罕见交汇点。是什么引导您将大脑视为一个值得研究的材料问题？ 黄声希：对我们而言，大脑切片就像一块二维材料：它是平坦的，位于基底之上，并携带我们可以测量的拉曼信号。大脑更令人兴奋之处在于其多功能性，这里有海量的分子信息等待解密。通过相对简单的二维材料拉曼信号，我们已能表征缺陷、应变、厚度和氧化情况。面对大脑更丰富的信号，我们能学到的东西远不止于此。由于数据复杂度极高，有时需要 AI 辅助理解特定特征，而这正是电气工程师的强项。这种看似迥异的领域间存在如此多共同点，令人欣慰。 Our Narratives 坚持无标记方法感觉是一项深刻的哲学选择。捕捉大脑“原貌”意味着什么？传统染料遮蔽了哪些事实？ 王子洋：捕捉大脑“原貌”意味着在不引入可能产生观察偏差的标记物情况下，观察其天然分子状态。传统染料与荧光标记要求预先决定突出显示哪种分子，往往导致研究聚焦于已知目标，忽略了组织更广泛的化学环境。无标记方法允许我们直接测量大脑内在的分子指纹。我们不再仅仅寻找预设标记物，而是观察完整的分子景观，探测那些可能被隐藏的细微生化变化，从而全方位理解疾病。

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For most of modern science, large sections of life's instruction manual have remained unreadable.

AlphaGenome 阿尔法基因组

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当人工智能开始解读生命密码 编者按 数十年来，人类基因组一直被视为生命的终极蓝图。然而，其中绝大部分被称为”非编码”区域的部分，却始终是一段我们无法翻译的沉默语言。我们能够辨识每一个字母，却始终读不懂那决定”一个细胞如何成长为完整人类”的复杂语法。此类内容长久以来都隐藏在我们的视野之外。 随着 AlphaGenome 的诞生，我们正经历一场从”记录基因组”到真正”解读基因组”的根本转变。本期报道将深入探讨 Google DeepMind 推出的这一最新系统，看它如何超越单纯的数据处理，成为一面高分辨率的透镜，照亮生命最底层的调控逻辑。这不仅是技术的重大突破，更是人类认知边界的进一步拓展：机器正在帮助我们阅读这部历经人类文明七千年、乃至生命演化数亿年漫长沉淀而成的生命密码书。 我们诚挚邀请您一同走进这部全新科学仪器的架构，探寻它所揭示的、关于我们自身生物学中那些细腻而优美的复杂性。 — Adelina 二〇二六年一月，谷歌 DeepMind 的研究人员在《自然》（Nature）杂志上发表了 AlphaGenome，推出了迄今为止最强大的人类基因组调控解读 AI 系统。该模型能够以史无前例的分辨率分析长程遗传序列，标志着人类在理解基因组如何从最底层调控生命系统的进程中，迈出了关键一步。 然而，AlphaGenome 所讲述的故事不仅关乎技术的造诣，更关乎它如何迫使我们重新思考——重新思考基因组本身、生物复杂性的本质，以及”阅读”一个生命系统究竟意味着什么。 “98%”的难题 数十年来，生物学家早已深知，DNA 中最微小的变化也能深刻影响健康、发育与疾病。然而，解读这些变异始终是现代生物学面临的最大挑战之一。虽然蛋白质编码区域已得到相对充分的理解，但它们仅占人类基因组的约 2%。其余 98% 被称为”非编码 DNA”，它们并不直接产生蛋白质，而是掌管着基因在何时、何地以及如何被激活。 在 20 世纪的大部分时间里，非编码 DNA 被轻蔑地称为”垃圾 DNA”（Junk DNA），这并非因为它不重要，而是因为我们无力解读它。基因组学的进步逐渐揭示，这些区域包含了协调发育、生理和疾病中基因活性的关键调控信号。曾经看似毫无意义的区域，现在被理解为让复杂生命成为可能的”调控架构”。 这并非无关痛痒的信息。它是”拥有说明书”与”懂得如何执行指令”之间的本质区别。 想象一下：小鼠、大菱鲆和人类所携带的基因数量大致相同——约两万个。区别物种的不再是基因的清单，而是环绕其间的调控架构：由开关、沉默子和结构信号构成的庞大网络，决定了哪些基因在哪些细胞、哪些时刻、哪些条件下被激活。换句话说，形态的复杂性并不取决于指令的多寡，而取决于读取现有指令的方式有多高级。 在分子生物学的大部分历史中，这一调控层几乎是隐形的。基因组被描述为生命指令手册，但这个比喻必须加上星号：我们只能自信地读懂其中约 2% 的内容，其余部分则被批注满了问号。 AlphaGenome 的使命，就是开始消除这些问号。 跨尺度阅读基因组的模型 与早期的序列模型不同，AlphaGenome 单次输入即可处理多达 100 万个 DNA 字母，其长度前所未有。随后，它能预测数千种与基因调控相关的分子特性，包括转录活性、RNA 剪接模式、染色质可及性以及远距离基因组相互作用。 该系统的架构映射了基因组本身的层级结构：卷积神经网络负责检测局部序列模式，而 Transformer 架构则负责建模跨越数万甚至数十万个碱基对的远距离依赖关系。通过在专用张量处理单元（TPU）上进行分布式训练，该模型能以单碱基对的分辨率分析海量序列。 这种结合解决了基因组建模中长期存在的权衡难题。以往的系统被迫在”分辨率”和”序列长度”之间取舍——要么捕捉短区域的精细结构，要么捕捉长距离的宏观上下文，很难兼得。AlphaGenome 打破了这一束缚，在以往计算无法触及的基因组跨度上，实现了单碱基级别的精准操作。 这一技术进步的意义不仅在于基准测试的表现，更在于概念范畴的转变。早期的工具就像是在精确地阅读说明书中的某个段落，而

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Cloud-9 located approximately 16 million light-years from Earth. Magenta represents VLA radio data detecting hydrogen gas; the dashed circle marks where Hubble's Advanced Camera for Surveys confirmed the absence of stars, proving this is a starless gas cloud dominated by dark matter rather than a dim dwarf galaxy. Visible objects are background galaxies.

“失败星系”Cloud-9：暗物质主宰的无星幽灵

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Dr. Alejandro Benitez-Llambay, principal investigator of the Cloud-9 discovery. Image credit: Dr. Alejandro Benitez-Llambay 哈勃与 FAST 联手确认宇宙早期“化石”，提供暗物质纯净实验室 在由无数恒星点亮的浩瀚宇宙中，天文学家近日确认了一种前所未见的存在：一个完全没有恒星的幽灵般天体。名为 Cloud-9 的气体云，被认为是人类首次直接观测到的“失败星系”。该天体由暗物质主导，却从未触发恒星形成，在近乎时间冻结的状态下保留了宇宙早期的物理条件，为研究暗物质在星系形成中的作用提供了独特切入点。 相关成果发表于《天体物理学杂志快报》，并由 NASA 于 2026 年 1 月 5 日正式公布。研究人员指出，由于 Cloud-9 几乎未受到恒星活动的影响，科学家得以在最小干扰条件下直接检验暗物质在星系形成过程中的关键作用。Cloud-9 属于一类长期停留在理论预测中却始终未被确证的天体类型，即再电离限制中性氢云。三年前，中国 FAST 射电望远镜在对螺旋星系梅西耶 94 附近区域的巡天中首次探测到这一异常信号，随后由哈勃太空望远镜、美国绿岸望远镜以及甚大阵射电望远镜完成多波段确认。 观测结果显示，Cloud-9 为近乎球形的致密气体云，直径约为 4900 光年，可见气体质量仅相当于约 100 万个太阳质量，但其引力效应却对应着一个总质量约为 50 亿个太阳质量的系统，鲜明展现出暗物质占据主导地位的特征。米兰比可卡大学首席研究员 Alejandro Benítez-Llambay 表示，在这一案例中，恒星的缺失本身恰恰验证了理论预测。研究人员认为，Cloud-9 位于一个极为狭窄的物理区间，其质量不足以引发气体坍缩形成恒星，却又足以抵御宇宙紫外背景辐射的影响，从而作为一种原始遗迹长期存续，并成为研究暗物质分布与性质的罕见天然实验环境。 https://www.youtube.com/watch?v=9hBI2BogaWI Credit: Alejandro Benítez-Llambay 与 Alejandro Benitez-Llambay

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© Adobe Stock / ID 412938014 — 3D render of metallic fractal spiral with turbine-like geometry.

分形结构中的量子囚禁：连接自然几何与量子技术

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Self portrait, Image credit: Dr. Biplab Pal 那加兰大学研究人员展示分形几何中的电子控制，使该机构跻身全球量子研究版图 编者按： 本文基于 Our Narratives 对 Biplab Pal 博士的采访。 印度那加兰大学（Nagaland University，中央直属大学）的一项新研究，使其在全球量子研究版图上占据一席之地。物理系助理教授 Biplab Pal 博士的研究工作首次登上德国 Wiley VCH 出版的国际同行评议期刊《Physica Status Solidi (RRL) – Rapid Research Letters》的封面，对该大学而言堪称一座里程碑。 在我们的采访中，Pal 博士解释了他的模型如何将分形（在雪花、树枝、河流网络和神经元中常见的自相似重复模式）引入量子世界。若将分形几何结构置于均匀磁场下，便会表现出不寻常的电子行为，其中最引人注目的是阿哈罗诺夫–玻姆囚禁效应（Aharonov–Bohm caging）：当磁场强度精确调整至半个磁通量子时，电子会被有效地“困住”而无法传播。 他对能谱和电导的详细分析证实了一种清晰的开关控制机制，不仅可为未来量子算法和量子网络提供重要参考，也将有力支持印度国家量子使命的目标。 Image Credit: © Adobe Stock / ID 472052936 Close-up of leaf texture revealing nature’s fractal geometry and self-similar patterns. 为什么选择分形

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Artist's visualization of remotely entangled nuclear spins coupled via electron-mediated geometric gates.

二十纳米的突破：电子介导耦合推动硅量子比特扩展

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The research team in the Fundamental Quantum Technologies Laboratory at UNSW Sydney, Australia. From left: Mark R. van Blankenstein, Dr. Holly Stemp (lead author), and Prof. Andrea Morello. Photography by Dr. Rocky Su, UNSW Sydney 研究人员实现核自旋量子比特远程耦合，为可扩展量子计算奠定基础 在构建实用化量子计算机的激烈竞争中，多种技术路线并行发展，各具独特的优势与局限性。在这些技术中，基于硅中核自旋的量子计算因其与现有半导体制造工艺的高度兼容性以及量子比特的卓越稳定性而备受瞩目。这种方法利用原子核的自旋作为量子比特，提供了出色的隔离性，能够长时间保持量子信息的完整。然而，将这些系统从概念验证扩展到数百万个量子比特，始终面临一个核心挑战：如何在保持量子比特与环境隔离的同时，建立它们之间的有效连接。 2025年9月18日，《科学》杂志刊登了来自新南威尔士大学的一项突破性研究，展示了一个充满希望的解决方案。研究人员利用电子作为中介，成功耦合了相距高达20纳米的核自旋量子比特，这一距离是先前方法的四倍。虽然20纳米在人类尺度上微不足道，但它标志着实用量子计算架构的一个关键门槛。 我们有幸与这项开创性研究的主要作者霍莉·斯滕普博士（Dr. Holly Stemp）进行了深入交流，探讨了该研究的技术成就及其对未来的影响。以下详细的对话内容揭示了构建可扩展量子计算机的基础物理原理与实际工程挑战，为我们提供了深刻的洞见。 隔离悖论 植入硅中的磷原子核自旋因其卓越的隔离性成为理想的量子比特。这种特性，被称为相干性，使这些量子比特能够长时间保持量子信息。在早期的实验中，核自旋量子比特的量子状态可维持长达30秒，这在量子领域堪称永恒，因为大多数量子系统在微秒内就会丢失信息。 然而，这种隔离性带来了一个工程悖论。要构建功能齐全的量子计算机，量子比特必须相互通信以执行计算。然而，核自旋作为量子比特的吸引力恰恰在于它们几乎不与任何事物相互作用，包括旁边的量子比特。这种与环境的隔离性虽然保证了信息的稳定性，却阻碍了量子比特之间的必要交互。 过去的解决方案是将核自旋放置得极近，距离仅为一到五纳米，让单个电子云包裹两个原子核。这个共享电子可以作为中介，促进核与核之间的交互，从而实现量子计算所需的两量子比特操作。然而，这种方法在可扩展性方面面临严重限制。在数百万个量子比特中维持如此精确的原子定位，同时为控制电子元件留出空间，对制造工艺提出了巨大挑战。 电子作为量子电话 新的耦合方案采用了不同的方法。研究人员没有强迫原子核共享一个电子，而是将它们分得更远，允许每个原子核拥有自己的电子。据估计，在这个系统中，核间的距离可达20纳米。当相邻原子核上的电子被添加到系统中时，它们的量子力学波函数会发生轻微的重叠，产生物理学家所说的交换相互作用。 这种相互作用意味着一个电子的共振频率取决于两个原子核的量子态。通过精确计时微波脉冲，研究人员可以执行由各自电子介导的核间双量子比特门操作。由于电子的响应速度比原子核快得多，这些门操作在核相干时间内很快完成，从而保留了量子信息。 该方案的另一个优势是，可以使用局部栅极电压将电子添加到或移除出系统，从而按需开启或关闭相互作用。未来可以预见，当不需要计算时，可以确定性地移除电子，使核量子比特回到其隔离的、高相干性的状态。当需要相互作用时，电子可以短暂地被加入以促进操作，然后再移除。 二十纳米阈值 这项实验中实现的20纳米间隔，跨越了半导体制造的一个重要界限。现代互补金属氧化物半导体（CMOS）制造工艺通常在这个尺度下工作，使得该方法与现有的工业能力兼容。这种兼容性可以使量子计算借鉴数十年来在硅芯片制造中的投入和专业知识。 此外，20纳米提供了足够的空间，可以将经典控制电子器件直接集成到量子芯片上。目前的量子计算系统需要大量的外部基础设施，控制信号通过屏蔽电缆布线到超低温环境中。片上控制电子器件将减少这种复杂性，尽管它也引入了管理其产生热量的新挑战。 研究人员强调，进一步的小型化既没有必要也不可取。在这种密度下，数百万个量子比特可以容纳在单个芯片上。制造的挑战不在于将更多的量子比特塞入更小的空间，而在于以足够的精度可靠地放置它们。 精准放置 与墨尔本大学合作开发的确定性离子植入技术有效应对了量子比特定位的挑战。这项技术利用原子力显微镜的尖端，通过微小孔径将单个磷原子精确植入指定位置。高保真单离子探测器在系统移动到下一个植入点之前，验证植入是否成功。

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Perseverance imaged “Cheyava Falls” in Jezero Crater in July 2024, revealing leopard spot patterns in a reddish mudstone that may record chemical reactions once able to support microbial life. Other explanations remain under study.

蓝宝石峡谷（Sapphire Canyon）：火星迄今为止最强烈的古代生命暗示？

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https://www.youtube.com/watch?v=ieJKWW8sp2A&t=25s Animation showing the long-term loss of water in Mars’s Neretva Vallis, the river valley where NASA’s Perseverance rover collected the “Sapphire Canyon” core from the rock “Cheyava Falls” within the Bright Angel formation. Credit: NASA/JPL-Caltech. 一个火星谜团邀请全世界共同解开 美国国家航空航天局（NASA）于2025年9月10日宣布，一个昵称为“蓝宝石峡谷”的岩心样本显示出耐人寻味的化学线索。该样本采集自杰泽罗撞击坑（Jezero Crater）古老河谷中的切亚瓦瀑布（Cheyava Falls）。这项经过同行评审、发表在《自然》杂志上的研究，由石溪大学的乔尔·胡罗维茨（Joel Hurowitz）领导，并未声称火星存在生命。相反，它提出了一个引人注目的难题：一块泥岩中含有有机碳和不寻常的矿物纹理，亟待解释。 曾经多水 杰泽罗撞击坑曾是一个由河流补给的湖泊，NASA的动画描绘了内雷特瓦河谷在漫长岁月中干涸的历史。2024年7月，NASA的“毅力号”火星车探索了“亮天使”区域，那里的层状沉积物正是由古代水流塑造而成。在那个地方，切亚瓦瀑布以其豹纹状的斑点引起注意，这些锁在石头中的化学图案清晰可见于火星车WATSON相机拍摄的图像中。这种铁锈色泥岩位于明亮的白色层之间，并显示出小的蓝绿色至黑色结核和环状反应锋。 Perseverance captured this selfie on July 23 using a mosaic of 62

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M-MATISSE by Dr. Beatriz Sánchez-Cano, Science, UK

为火星移民铺路：M-MATISSE任务揭示火星真面目

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Self Portrait, Image credit: Dr. Beatriz Sánchez-Cano 为火星移民铺路：M-MATISSE任务揭示火星真面目 当人类将目光投向火星时，最大的未知之一仍是潜伏在未来宇航员身边的无形危险。这颗红色星球独特的大气与磁场环境交织出复杂的空间天气模式，对机器人任务和人类探险都可能构成重大威胁。与地球不同，火星缺乏强大的全球性磁场来屏蔽太阳辐射和高能带电粒子，因此，理解这些力量如何与其稀薄大气和地表环境相互作用，至关重要。 一项名为“火星磁层、大气层、电离层和空间天气科学探测”（M-MATISSE）的开创性任务，正致力于回答这一关键问题。在不久前举行的2025年英国皇家天文学会全国大会上，它成为备受瞩目的焦点。项目计划发射两艘完全相同的航天器，对火星空间天气展开首次全面研究。通过同步探测磁层、电离层、热层直至低层大气，M-MATISSE将绘制出火星动态环境的完整图景。 该任务目前正在竞争成为欧洲航天局的下一项中级任务，但其意义远不止于科学探索。作为火星首个空间天气监测系统，它将能提前预警危险环境，保护航天器与宇航员免受致命辐射。如果在2026年中期获批，M-MATISSE将从根本上改变我们对火星宜居性与大气演化的理解，并为未来的安全探险铺平道路。 我们有幸专访了莱斯特大学的比阿特丽斯·桑切斯-卡诺博士（Dr. Beatriz Sánchez-Cano）。作为这一国际联合提案的核心成员，她正与来自多个国家的合作伙伴一道，共同推动这项开创性的计划。 绘制未知地图 M-MATISSE 任务旨在探索火星空间环境中大部分尚属未知的区域。请问您希望解开哪些具体的谜团或异常现象，尤其是在火星的远磁尾和等离子体系统方面？火星的空间环境远远超出了其地表，可延伸至数个行星半径之外的太空。在这片广阔的区域里，充满了各种带电粒子，它们距离火星越远，能量就越高。理解不同粒子群如何相互作用至关重要，因为它们彼此间错综复杂地联系，在火星吸收与耗散太阳能量的过程中扮演着关键角色，若非如此，太阳能量便会直达地表。粒子间的相互作用会影响大气逃逸、极光活动及辐射暴露，此现象由科学家们所称的磁层、电离层和热层（统称为M-I-T系统）共同主导。 在火星的空间环境中，探索最少的区域之一便是其远磁尾。它作为太阳风磁场的长长延伸，如同一条飘带被拖曳在行星周围。由于其与火星的距离极为遥远，该区域在很大程度上仍是一片处女地。即将到来的M-MATISSE任务，其目的就在于调查等离子体在遥远磁尾中的行为，同时监测太阳风，试图厘清能量与粒子如何被传输和散逸，以及是否有未知机制正导致火星大气的持续逃逸。 至关重要的是，M-MATISSE还将研究太阳粒子如何穿过磁尾被引导回火星，最终沉降于大气层并催生极光。通过描绘其动力学特征，该任务将为我们理解火星与其空间环境之间复杂且瞬息万变的关系，提供全新的视角。 空间天气与生存 与地球不同，火星缺乏一个强大的全球磁场来保护其地表。请问，在派遣宇航员之前，深入了解火星的空间天气有多重要？假如我们对此认知不足，未来的探险家们可能会面临何种威胁？火星与地球不同，它缺乏一个全球性的磁场来抵御有害的空间辐射。取而代之的是嵌入地壳的局部残余磁场，尤其集中在赤道及南半球的部分区域。此类地壳磁场，正是一个古老的全球性磁场发电机所留下的遗迹，该发电机曾如今日的地球磁场一般，保护着火星的大气。由于这些磁场固着于地表，随行星一同旋转，从而创造出一个高度动态且复杂的环境，使得高能粒子得以在其中自由穿行。正因其磁场的变化，火星大气与磁层的变动可在短短数分钟内发生。 太阳风持续以高能粒子轰击火星，当太阳爆发引发空间天气事件时，粒子流的强度会急剧增强。此类事件能在短短数小时至数日内，向火星的等离子体系统注入巨量能量，导致包括地表在内的辐射水平显著升高。因此，理解这些能量如何被吸收、耗散，或是在火星空间环境的不同区域间传输，显得至关重要。若缺乏相应的认知，我们将无法准确预测宇航员可能面临的辐射剂量，也无从判断在极端事件中，火星大气及地壳磁场能否提供任何有效的庇护。 为应对此挑战，我们必须强调发展多航天器任务的必要性，从而能像在地球上一样，对火星的不同区域进行同步系统性监测。唯有通过此类协同观测，我们方能追踪火星等离子体系统中瞬息万变的短期动态，并据此建立可靠的空间天气预报模型。这已不再是单纯的科学探索，而是保障宇航员生命安全的核心议题。在一次强烈的太阳事件中，火星上的宇航员或许只有三十分钟的预警时间来寻找掩蔽。能否准确理解并预报火星对这类事件的反应，将是决定任务成败与宇航员健康的关键所在。 M-MATISSE, Image credit: Dr. Beatriz Sánchez-Cano 表面之外的宜居性 这项任务的研究范围不仅限于地表，更深入到太阳粒子与能量如何影响整个火星大气层。请问，您的研究成果将可能如何重塑学界当前对于火星过往及未来宜居潜力的认知？要确定一颗行星周边的空间环境特性，乃至其最终孕育生命的潜力，理解太阳风如何与其相互作用至关重要。对于火星而言，这种互动尤为关键。我们如今已经知晓，自形成以来，火星大气经历了翻天覆地的变化，从一个一度厚重湿润的环境，演变成了今日我们所见的稀薄干旱状态。学界普遍认为，导致此番演变的一个主因，在于行星的内部冷却，进而使其失去了全球性的磁场发电机。该发电机曾像地球磁场一样，为火星撑起一把保护伞，而它的消失，则令火星大气彻底暴露于险境。 失去了全球磁场的庇护，火星高层大气便直接暴露于太阳风的吹袭之下，不断向太空流失。这种持续的相互作用稳定地侵蚀着大气层，并在大气逃逸（其长期效应表现为大气压力降低，最终导致地表液态水消失）以及有害辐射过滤等一系列过程中，扮演着核心角色。这些过程环环相扣，贯穿于火星等离子体系统的多个区域，而厘清它们正是M-MATISSE任务的核心目标。 M-MATISSE任务将致力于描绘火星大气的演化特征。它将从多个独特的视角进行观测，有望从根本上重塑我们对于“是何种过程在维系或侵蚀着火星现有的大气层”这一问题的理解。通过追踪整个大气柱的活动如何影响长时期的大气逃逸，该任务还将进一步阐明火星的古气候历史，及其在过去与未来的宜居潜力。 两个轨道器的故事 “亨利”与“玛格丽特”将从不同的观测点协同工作。请问，这种双航天器的设计，能提供单个轨道器所不具备的何种优势？过去的单航天器任务确实已彻底革新了我们对火星的认知，为我们理解其大气、磁层及空间天气环境提供了前所未有的洞见。然而，若要真正把握那些塑造着火星近太空环境的复杂过程及其演变，多视角的同步观测便显得至关重要。 火星的等离子体系统瞬息万变，其变化发生在极短的时间尺度和广袤的空间区域内。例如，太阳风方向的微小变动，几乎可以瞬间触发磁层、电离层乃至低层大气的连锁反应。又如，火星夜侧极光的形成，其根源在于日侧的太阳高能粒子在地壳磁场的辅助下被输送至夜侧。要捕捉如此复杂的动态，就必须依靠多艘配备了专门仪器的航天器进行同步协同测量，而M-MATISSE正是为此量身打造。唯有如此，我们方能精确追踪关键过程的时空演变，并基于这些迄今未知的动力学原理，去完善我们的预测模型。 为完整捕捉火星空间环境的复杂性，M-MATISSE将在不同轨道上部署两艘航天器，从而实现对火星系统多个区域的同步监测。这种双重视角对于理解大气与磁层的不同部分如何响应太阳风的输入，是不可或缺。 该任务的科学载荷包含六台仪器。其中三台利用七个传感器进行原位探测，另外三台则用于遥感观测，观测范围可从火星地表一直延伸至外层空间。所有仪器协同工作，将提供一幅关于火星大气与等离子体动力学的全面、系统级图景，使我们能够实时追踪能量和粒子在环境中的运动轨迹。通过在时间与空间维度上实现对整个火星系统的完整覆盖，M-MATISSE将以前所未有的视角，揭示火星与太阳的相互作用，以及这种作用如何塑造这颗星球的过去、现在与未来。 预测火星 地球已拥有一套相对成熟的空间天气监测系统。那么，若要为火星建立类似的预报体系，需要具备哪些条件？M-MATISSE任务又将使我们距离这一目标有多近呢？M-MATISSE项目的发展，借鉴了数十年来源自地球轨道多航天器任务的宝贵经验，例如欧洲的Cluster和Swarm任务，以及美国的THEMIS和MMS任务。这些项目已彻底改变了我们对太阳风如何与地球磁层及电离层相互作用的认知。正是这些多点协同的观测任务，在发展空间天气预报能力方面扮演了关键角色，而这种能力如今对于保护卫星、宇航员乃至太空基础设施而言，已是不可或缺。 然而，火星在这一领域的研究仍远远滞后。尽管美国宇航局（NASA）的“月球到火星空间天气分析办公室”等机构正努力增进我们的理解，但我们目前的能力，仍局限于“事后探知”，即只能在一个空间天气事件已经冲击火星之后才能检测到它，而无法做到“事前预报”。 M-MATISSE的出现，正是改变这一局面的关键第一步。其核心目标，是对火星的辐射环境进行迄今最全面的特征描绘，以便准确预测行星对太阳活动的响应。这包括深入理解太阳风、整个等离子体系统、高中低层大气，乃至潜在地表与地下电流的动力学机制及其内在联系。这些科学研究的成果，将使我们能够量化机器人系统、不同无线电频段的稳定通信，以及未来人类探险家所面临的风险。M-MATISSE将提供我们所需的数据，来实时洞察火星对太阳活动的反应。这正是构建火星真正空间天气预报体系所缺失的关键一环，而这一预报能力，对于评估辐射风险、确保未来宇航员的生命安全，具有决定性的意义。 从损失中学习 在过往的任务中，火星的空间天气曾引发过哪些意外问题，甚至导致任务失败？M-MATISSE又将如何帮助我们防范未来可能出现的类似风险？当前正在环绕火星运行的任务，已深受空间天气的严重影响。例如，每当太阳高能粒子事件冲击火星时，“火星快车”号搭载的MARSIS雷达与“火星勘测轨道飞行器”搭载的SHARAD雷达，其信号都会遭受显著衰减。在这类粒子风暴期间，高频无线电信号被火星电离层吸收，导致在相应频段上与地表的通信完全中断。此类现象在地球上虽不罕见，但太阳活动引发的无线电通讯中断通常仅持续数小时，且局限于特定区域。然而在火星，这种中断却是全球性的，可持续数日，某些情况下甚至超过十天。尽管此类事件在太阳活动高峰期尤为常见，但令人惊讶的是，在中等太阳活动乃至太阳活动极小期，也观测到了同等强度的无线电吸收。这表明，地壳磁场与太阳风粒子间的相互作用可能在其中扮演了重要角色，而这一复杂领域至今仍知之甚少。 空间天气对火星任务的威胁远不止无线电通讯中断。在太阳高能粒子事件中，无线电信号的闪烁（即信号强度的快速波动）会严重扰乱航天器的正常运行。即便是对航天器导航至关重要的星敏感器，也可能因此暂时“失明”。一个显著的案例发生在2012年3月，当时“金星快车”号因一场太阳风暴，其星敏感器失灵长达五日。火星也面临着同样的风险，因为大多数火星卫星都在极低轨道上运行或穿越。这些轨道在空间天气事件期间，极易受到大气阻力增大的影响。地球附近最近的一个例子更凸显了此种危险：数颗“星链”卫星就因太阳活动加剧，遭遇了意料之外的大气阻力而导致轨道衰减。同样的情形极易在火星上演，那里稀薄的大气层在太阳风暴期间会急剧膨胀，从而增大对在轨航天器的阻力。 因此，理解并预报上述影响已是当务之急。这不仅是为了保护现有任务，更是为了确保未来载人任务的安全性与可靠性。准确的预报能帮助我们优化通信子系统的设计，例如通过规避通讯中断，或至少提前预知其发生，从而保障未来宇航员之间的顺畅联络。M-MATISSE任务的目标，正是提供这种实时、覆盖整个系统的监测能力，以便在各类危险来袭之前，便能发出。 M-MATISSE, Image credit: Dr. Beatriz Sánchez-Cano 英国领导的努力 英国正在主导开发此任务的粒子探测仪器以及任务科学中心。请问，这一领导角色对于英国在行星科学乃至整个行星际探索领域的未来地位，意味着什么？英国在空间天气研究与火星探索两个领域均有深厚的领导力历史，而M-MATISSE项目正是这两大国家级优先战略的完美交汇点。此项任务为英国及其欧洲、日本的众多合作伙伴提供了一个实现重大科学发现的独特契机。它将加深我们对于空间天气如何影响行星环境的理解，而这种认知，对于在太阳系内实现安全的人类及机器人探索活动而言，是不可或缺。 我们为M-MATISSE任务所规划的六台科学仪器中，有一台的开发工作，以及负责协调数据分析、观测规划和任务策略的专属科学中心的建立，都将直接服务于英国在空间天气预报和行星探索领域的战略重点。这项任务为英国提供了一个独一无二的机会，能够将国家两大重点投资领域连接起来，进行前沿交叉研究。

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