研究人員最近揭示，半導體電極能夠實現綠色氫氣的生產。他們發現，半導體材料通過（光）電化學能夠產生綠色氫氣。由于瓦斯庫拉大學（University of Jyväskylä）領導的研究團隊強調，創新的原子級模擬及精確的（光譜）電化學實驗揭示了在典型二氧化鈦（TiO2）半導體上氫氣生成反應的基本機制，並支持開發新材料以促進氫氣的生產。

相比傳統的金屬催化劑，半導體材料可以利用更常見且便宜的元素，這是教授 Karoliina Honkala 和高級講師、學術研究員指出的。然而，半導體電極的發展受到其電化學和催化特性尚未得到充分理解的限制。團隊還揭示，半導體材料是氫氣生成的相對少被探索的替代方案。研究人員開發了一種新方法，即恆定內部勢能密度泛函理論，該方法能在半導體電化學的模擬中納入電極電位。

這一方法是兩年前開發的，為半導體電極的建模開辟了新可能性，來自瓦斯庫拉大學的 Marko Melander 表示。現在的研究將這種方法應用於TiO2半導體電極的氫氣生成反應研究。我們的模擬顯示了如何以及為什麼改變電極電位可以促進TiO2的氫氣生成。根據與合作夥伴的計算，我們預測在TiO2表面形成的局部電荷中心（極化子）會催化氫氣的生成。

實驗測試和計算結果的驗證是一項重大挑戰，需要應用高度先進的實驗方法。例如，最新的光電化學拉曼測量、原位電子共振光譜和運行中的光電子光譜等技術被用來驗證計算結果，根據新聞稿所述。Honkala解釋道，合作夥伴進行的實驗極具挑戰性且耗時。然而，這些實驗直接展示並確認了改變電極電位可以在TiO2表面創造極化子，這些電荷中心驅動了TiO2電極上的氫氣生成反應，並可能也在其他半導體上發生。

研究團隊還發現，電極電位控制的極化子形成在電化學中是一種先前未被發現的現象，並且這一現象並不會在傳統金屬電極上發生。這一現象被認為可以在未來的催化劑設計和材料開發中得到利用。Honkala 和 Melander 預測，我們發現極化子的形成使得半導體電極能夠避免所謂的比例關係。這些比例關係在金屬電極上會限制和約束可達到的催化活性。潛在依賴的極化子形成的發現，可能會引領新方法來避免比例關係，從而改進催化劑的設計。

根據文化遺產管理部門的消息，中國一名農民在耕作時意外發現了一件無價的文物：一個青銅鼓，這個鼓揭示了東漢時期的宗教實踐和青銅鑄造技術。誰能想到，平凡的一天會變得如此驚人？這名來自中國雲南省西南部的文星村的當地村民，正在田裡工作時，意外挖掘出一件他認為很重要的物件。當地的雲南省文化遺產與考古研究所的官員迅速趕到現場展開調查。首先，他們確認這個埋在墳墓中的鼓是倒置的，並且裝飾有蟾蜍，這在雲南省是非常引人注目的特徵，表明這個樂器不僅對於它的擁有者有意義，對於整個文化也有重要的象徵意義，作為葬禮儀式中的一部分。

考古學家在《Heritage Daily》中解釋說，蟾蜍象徵著繁榮和富饒，因此這個鼓可能與這一敘事相符，意在作為豐饒的載體，傳遞到來世，並且可能是為了取悅神明，希望他們能幫助已故者。這個鼓揭示了雲南省的文化實踐。一位當地村民王德強在耕作時，無意間觸碰到一個曾經能發出音樂的物件。雖然青銅隨著時間的推移已經變成了黃色和綠色，但這個保存完好的2,000年古鼓因其吸引人的設計而格外突出。

這個鼓用青銅鑄造，直徑約為 23 英吋（約 58 厘米），寬約 2.13 英尺（約 65 厘米），高度約為 1 英尺（約 30 厘米）。鼓的中央有一個12尖的太陽圖案，這在中國南方的古青銅鼓上是一個常見的圖案。圍繞著邊緣的是同心的短線條圖案。這些設計和細節令考古學家印象深刻，但最引起他們注意的特徵是鼓面周圍擺放的四個雕刻蟾蜍，這在《Arkeonews》中得到了說明。考古學家推測，蟾蜍在許多雲南省文化中具有特殊的意義，因此這個鼓不僅承載音樂，還傳達了更深層的訊息和意義。

這個鼓被倒置放置，並非隨意或負面的做法。相反，它將祝福洒向墳墓，旨在將祝福帶入來世。根據文化遺產管理部門的說法，他們尋求來自靈性力量的保護。生活的音樂得以延續。魏新縣文化遺產管理部門的主任張啟宇告訴《全球時報》，團隊發現這個鼓的最初用途並非僅僅是為了發出音樂，而是支援儀式，甚至幫助死者走向來世。它被視為一個神聖的器皿，據信可以用來在天與地之間進行交流，象徵著社會權力和儀式威望。

因此，他們可以假設，至少這個鼓在雲南省是一種地位的象徵。被埋葬時擁有一個鼓，或許能在來世獲得優勢。這一理解隨著研究人員在1980年在附近的墳墓中發現另一個東漢鼓而不斷深化。然而，現代生活可能威脅到過去珍寶的存續，因此早期的遺址已經被遺忘。這個鼓的重現，作為第二個在埋葬情境中發現的鼓，鞏固了對於這個鼓在古代雲南文化中所扮演角色的新理解。生活的音樂將繼續延續。

中國的工程師正在探索一種新的機器人系統，旨在成為月球上的多功能工作者。這項技術由北京航天系統工程研究所的研究人員開發，該概念結合了輪式移動和類人靈活性，使機器能夠在月球表面移動，同時執行各種任務，包括建設工作、設備維護、科學實驗，以及收集和分析月球樣本。據團隊介紹，機器人的機械設計旨在實現靈活性和精確度。其腰部可以向任意方向大約旋轉 180 度，並前傾達 90 度，從而能夠在挑戰性環境中更有效地使用和放置工具。

同時，研究人員解釋說，這款機器人的關節手具有四個自由度，能夠進行精細的操作。他們在《深空探索期刊》發表的論文中詳細介紹了設計及其能力。研究人員指出，輪式移動系統能為月球作業提供顯著的運作優勢。安裝在輪子上的主動懸掛系統能使平台比傳統的雙足行走系統移動得更快且更穩定，為機器人在執行任務時提供穩定的上半身支撐。

團隊強調，中國已經依賴輪式移動進行行星探索，並指出其玉兔月球探測器和祝融探測器在火星上的成功。根據《南華早報》的報導，為了抵抗月球嚴酷的地形和溫度，這款機器人的輪子預計將使用輕質金屬網設計，並加強鋼絲胎面，這種結構在保持靈活性和減震的同時，提供了耐用性，有助於機器在極端寒冷的環境中保持牽引力並平穩地穿越崎嶇的月球表面。

類人機器長期以來被認為對於協助宇航員進行太空任務非常有用。早期的例子包括 NASA 和通用汽車共同開發的 Robonaut。2011 年，這款機器人成為第一個進入軌道的類人系統，並被送往國際空間站。中國也在推進其多國月球基地計劃，並已概述了新的月球前哨計劃，旨在作為長期的科學研究和探索中心。

在 2021 年，中國提議建立國際月球研究站，這是一個多國合作的項目，計劃在月球南極附近建造。該設施被設想為一個綜合性的科學基地，能夠自主運行較長時間，宇航員則僅會進行較短的任務，而機器系統處理大部分例行工作。北京還在準備一系列任務和技術，以鋪平未來月球基地的道路。其中一個關鍵步驟是即將於今年晚些時候發射的嫦娥七號任務，該任務將對月球南極附近永久陰影坑中的水冰沉積進行原位調查。

除了半類人的機器人概念外，北京的團隊還提出了另一種專門設計用於物流的機器。這款平台具有六條腿，能夠在月球上實現軟著陸，然後在地面行走以運輸貨物，這是構建未來月球研究站的更大機器人系統的一部分。這些創新的設計和技術將為中國的月球探索計劃提供重要支持。

在2024年11月，引力波探測器記錄到了兩個黑洞在數十億光年外的激烈合併事件。通常，此類事件對望遠鏡而言是不可見的，僅會在時空中產生微弱的波紋。然而，這次卻發生了一些不尋常的情況。根據一項新研究，當信號抵達地球的幾秒鐘後，太空望遠鏡從同一片天空區域探測到了伽瑪射線暴（GRB）。這一巧合與一個被稱為 S241125n 的事件有關，暗示在某些罕見的條件下，即使是黑洞的碰撞也可能短暫地照亮宇宙。如果這一連結是真實的，將挑戰長期以來認為黑洞合併發生在幾乎真空環境中，幾乎沒有物質可用來產生輻射的觀點。研究作者指出，二元黑洞（BBH）合併一般不會預期產生 GRB，因此檢測到這樣的事件的光需要一個不尋常的宇宙環境。

引力波和伽瑪射線暴的事件最初出現在 LIGO–Virgo–KAGRA 引力波觀測網絡的數據中。這些儀器檢測到當兩個黑洞螺旋靠近並合併時產生的時空波紋。信號顯示事件發生在距離地球約 42 億光年遠的地方，對應的宇宙紅移約為 0.73。參與的物體質量也引起了科學家的注意。這兩個黑洞的總質量超過了太陽的 100 倍，使這一事件成為迄今為止檢測到的最重的恆星質量黑洞合併事件之一。此前大多數觀察到的合併事件僅涉及幾十個太陽質量的系統。

在引力波抵達地球後不久，太空望遠鏡數據中出現了一些意想不到的資訊。大約在合併信號出現後 11 秒，NASA 的 Swift 衛星檢測到了一個短暫的伽瑪射線暴，這是一種強烈但短暫的高能輻射閃光，來自同一片天空區域。不久之後，中國的愛因斯坦探測衛星也確認了來自同一區域的潛在 X 射線餘輝。這引發了一個有趣的問題——黑洞碰撞是否可能產生這一閃光？

持續不到約兩秒的伽瑪射線暴通常與中子星合併有關，而不是黑洞對。然而，檢測到的閃光特性也有些不尋常。事件開始時觀察到的輻射擁有比通常在短期伽瑪射線暴中看到的更柔和的光子光譜，意味著釋放的光子攜帶的能量相對較低。同時，餘輝輻射的強度則似乎比通常要硬，這表明導致這次閃光的物理過程可能與典型的 GRB 不同。研究作者指出：“這一類似 GRB 的事件在即時和餘輝階段都展現出特定的光譜指數，因此作為二元黑洞合併事件在活躍星系核盤中的有趣測試模型。”

為了檢驗引力波信號和伽瑪射線暴是否相關，研究人員進行了數據的聯合統計分析。他們的計算表明，這種巧合隨機發生的機會約為每 30 年觀測中出現一次虛假事件。團隊故意使用了保守的假設，這意味著實際的概率可能更低。儘管如此，他們強調在確認這一關聯之前，仍需更多證據。

為了解釋黑洞合併如何產生光，研究人員提出這一事件可能發生在一個特別有能量的環境中——圍繞著超大質量黑洞的活躍星系核（AGN）中的氣體和塵埃盤。研究作者表示：“我們提出了一個理論模型，其中二元黑洞合併發生在活躍星系核（AGN）盤中。”在活躍星系的中心，大量物質圍繞著中央的超大質量黑洞旋轉，形成一個密集的旋轉盤。這些盤中可以包含較小的黑洞，這些黑洞可能會在氣體內部軌道運行。隨著時間推移，一些黑洞可能形成二元對並最終合併。

如果 S241125n 中涉及的兩個黑洞在這樣的盤內發生碰撞，情況將與在空曠空間中合併截然不同。合併後，新形成的黑洞可能會因為不均勻的引力波排放而經歷反彈。這一反彈可能使黑洞在周圍的氣體中快速移動。當它穿越這種密集物質時，黑洞可能以極快的速度吞噬氣體——可能遠超過正常的愛丁頓吸積極限。如此大量的物質流入可以產生強大的相對論性噴流，這些噴流是從黑洞極地以接近光速發射的粒子和輻射的狹窄流。

在團隊的情景中，噴流最初仍然埋藏在厚厚的 AGN 盤中。隨著噴流向外推進，它會對周圍氣體驅動強烈的衝擊波，並在盤中攔截大量能量。最終，當噴流終於突破盤的表面時，存儲的能量可以突然釋放出來。這一輻射的突然釋放，也稱為衝擊突破，可能會產生伽瑪射線暴。由於輻射在逃逸之前與密集物質相互作用，所產生的光譜會顯得更柔和且更熱化，這與 Swift 數據中觀察到的異常特性相符。

如果未來的觀測確認引力波和伽瑪射線暴來自同一事件，將擴展多信使天文學的可能性——這是一個通過結合不同類型信號來研究宇宙現象的領域。迄今為止，二元黑洞合併僅能通過引力波來檢測。從這類事件中看到光將為這些碰撞發生的環境提供寶貴線索。這一發現還可以幫助科學家理解極其巨大的恆星質量黑洞是如何形成的。如果合併發生在活躍的星系盤內，這樣的環境中反覆的碰撞可能會逐漸形成更大質量的黑洞。

然而，目前的證據依然是暗示性的而非確定性的。研究作者補充道：“我們的模型是可預測的，我們強調進一步約束合併的軌道偏心率的重要性，並對宿主星系進行深場觀測以驗證我們的解釋。”該研究已發表在《天體物理學期刊》中。

日本的先進工業科學技術研究所（AIST）科學家們創下了銅鎵硒（CuGaSe₂）太陽能電池的新效率紀錄，實現了 12.28% 的功率轉換效率。CuGaSe₂ 是一種屬於礦物家族的硫族半導體，與更廣泛使用的銅銦鎵硒（CIGS）材料密切相關。其約 1.68 eV 的直接帶隙使其能有效吸收可見陽光，從而在太陽能轉換中表現出色。這使 CuGaSe₂ 成為下一代無銦太陽能電池吸收層的有前景候選者，同時也突顯了寬帶隙材料在高性能、環保光伏應用中的重大潛力。

CuGaSe₂ 電池的缺陷耐受性超越了以往的寬帶隙紀錄，該材料在太陽能電池中的應用顯示出良好的缺陷耐受性，幫助減少電荷載流子的復合，並在晶體結構不完美的情況下維持高性能。根據本研究的首席作者石塚翔（Shogo Ishizuka）所述，達到的 12.28% 效率是目前報告中在 1.65–1.75 eV 範圍內的寬帶隙硫族太陽能電池的最高紀錄，尤其是在無銦的礦物或 CIGS 相關太陽能電池中。這一成果超越了最新的效率表中列出的 CuGaSe₂-鋁太陽能電池的以往紀錄。

該太陽能電池的性能由 AIST 可再生能源先進研究中心的光伏校準、標準和測量團隊獨立驗證。該裝置基於 AIST 研究人員在 2024 年開發的先前設計，納入了鋁於 CuGaSe₂ 薄膜的背面區域。這一修改透過創建一個改善少數載流子收集並減少損失的背面場（BSF），提升了電池的開路電壓、填充因子和整體效率，從而促進更強的整體性能。

這款創紀錄的太陽能電池基於精確的三階段過程生長的銅鎵硒吸收層。鋁和氟化銣在第一階段引入，並在最後階段添加額外的 RbF，以提高開路電壓，同時維持高效率。電池建造在一個鈉石灰玻璃基板上，並有一層鉬背觸點。其上是無銦的礦物吸收層，接著是 150 納米的硫化鎘緩衝層、鋅氧化物窗口層和金屬網電極。這一精心設計的層結構有助於最大化載流子收集和整體太陽能電池性能。

科學家們強調，他們的工作專注於寬帶隙設備的基礎研究和開發，旨在用於串聯太陽能電池的頂層。石塚表示，創建完整原型還需要相容的底層電池和串聯技術，因此該研究尚未準備好進入大規模生產。不過，他補充道，因為該項目仍處於基礎研究的早期階段，因此尚未進行詳細的成本評估。

在利比亞東北部的海底，研究人員發現了一個非凡的沉船寶藏，深度達到 328 英尺，揭示了一個曾經繁榮的古代港口。這一發現引發了一個引人入勝的問題：這些船隻是否一次性全都沉入海中？經歷了 12 年的內戰停擺後，華沙大學的考古學家於 2023 年重返古希臘城市托勒邁斯（Ptolemais）。該團隊在陸地和海洋的調查中，挖掘出大量考古珍品，為人們提供了對古希臘在基里奈卡地區最大城市之一的前所未有的了解。

如同考古學的常態，過去與現在彼此映照；托勒邁斯建立於公元前 4 世紀至 3 世紀之間，最終在阿拉伯征服期間衰落。研究人員發現的不僅僅是一艘沉船，而是幾個世紀以來多次試圖靠岸的失敗嘗試。大約距離海岸 2.5 英里處，淺水中的幾個陶罐碎片成為考古學家的線索，指引他們發現了貨物殘片、船舶配件，最終到達沉船的殘骸。

儘管這些船隻從未抵達目的地，並且地區衝突使進展停滯超過十年，考古學家們已經以壓倒性的成功恢復了挖掘工作。除了集中於海事船隻的發現外，他們還發現了水下和陸地上的古代基礎設施痕跡，進一步加強了利比亞在古希臘世界中的大都市地位。根據首席考古學家皮奧特·雅沃斯基（Dr. Piotr Jaworski）的說法，最令人興奮的發現是無數的沉船，這些船隻在數世紀內都遇到了相同的惡劣條件，最終未能安全靠岸。

考古學家們恢復了一個青銅製的羅馬平衡秤部分，形狀如女性頭部，內部填充了鉛。從眾多出土的陶罐中，有一個陶罐內含結晶的葡萄酒，目前正在進行分析。

在 2024 年至 2025 年之間，水下考古學家們識別出了港口的延伸，包括柱子、道路、船錨和測量海深的設備的痕跡。這些發現表明，該港口曾經是繁忙的港口綜合體，隨著環境變遷，如海平面上升和地震活動而淹沒。雅沃斯基負責水下挖掘，而西蒙·連納奇克（Szymon Lenarczyk）則領導陸地團隊。在通往古代城市的途中，他們發現了一條非燃料驅動的輪式交通道路。當團隊進入托勒邁斯的大門時，發現了一個可追溯到公元 3 世紀的希臘銘文。

此外，考古學家們還發現了古代住宅區的遺跡，包括一位高級官員住宅的進入區。神秘的是，一個描繪人臉的面具和幾個石製容器浮出水面，讓考古學家們猜測這些物品為何會被遺留在這所住宅外。考古學家們在現場的修復師支持下，正在修復牆面馬賽克、繪畫以及團隊於 2010 年發現的一個稀有雙圓盤日晷。

考古學家們剛剛開始，隨著挖掘工作在這個尚未充分探索的中心重新啟動，未來可能會揭示更多的珍寶以及關於希臘利比亞的驚人見解。

來自北京大學的研究人員發現了一種新型氧化鎵 (Ga₂O₃)，可能會用於推動下一代半導體的發展。如果這項研究成果得以實現，將有助於開發非常強大且緊湊的雷達電子設備，適用於隱形飛機和戰鬥機。目前，大多數雷達系統仍然依賴氮化鎵 (GaN) 或砷化鎵 (GaAs) 等半導體來運行。現代戰鬥機通常採用稱為主動電子掃描陣列 (AESA) 的雷達技術，該技術由數千個微小的發射/接收模塊（T/R 模塊）組成。這些模塊使用功率半導體來生成微波雷達信號，通常能提供更高的功率輸出和效率，從而實現更長的探測範圍。

隨著航空技術的進步，AESA 技術在各代飛機中都有了顯著改善。以砷化鎵為例，它是最早的半導體之一，曾用於早期的 F-22 猛禽戰鬥機。而氮化鎵則是目前的第二代 AESA，廣泛應用於現代戰鬥機，如 F-25 閃電 II 及中國的 J-20 和 J-35。氮化鎵的效率和功率均高於砷化鎵，這意味著其擁有更長的探測範圍、更好的干擾抵抗力及更低的功耗。

大多數空軍目前都在積極尋求盡快升級至氮化鎵技術。根據這項新研究，氧化鎵有可能成為第三代 AESA 的新標誌。研究團隊領導吳振平在接受《南華早報》訪問時表示：「如果我們能將氧化鎵的極端穩定性——這種『高溫半導體』——與鐵電材料的儲存能力結合起來，我們將能解決極端環境下多功能電子的一個關鍵挑戰：實現高功率處理和非揮發性存儲。」

這項發現的核心在於一種名為 kappa-氧化鎵的新晶體形式。有趣的是，這種新晶體似乎展現出鐵電特性。吳振平指出：「kappa-氧化鎵的鐵電性在日常及極端環境中均保持穩定，損失極小。我們測量到的極高循環耐久性……證實了這一點。」這類材料被認為能夠在無電力的情況下存儲數據並保持狀態，類似於快閃記憶體。因此，理論上，使用這些材料製作的芯片可以在單一設備中發送雷達信號、存儲數據和處理信號。

目前，這一過程通常需要一組獨立的芯片來提供相同的服務。因此，這種集成芯片應能實現更小的雷達電子設備，並提高信號處理速度，減少故障點，並顯著提高能效。吳振平表示：「將鐵電性引入氧化鎵光電探測器，確實有望帶來顯著的性能提升，使其更具能效和有效性。」

這一發展不僅有趣，同時也突顯出中國在雷達系統方面的一項戰略優勢：自然資源。目前，中國控制著全球超過 95% 的氧化鎵資源，這在我們看到的 AESA 芯片中至關重要。全國人民代表大會成員、中科院院士郝悅在接受《南華早報》時指出：「我國擁有全球超過 95% 的氧化鎵資源，並對關鍵半導體材料如氧化鎵和鍺實施出口管制，這是一種其他國家不具備的工業優勢。」

中國的 Neuracle Medical Technology (NMT) 最近獲得了植入式腦-電腦介面（BCI）系統的商業化批准，這在中國尚屬首次。這項技術旨在幫助脊髓受傷患者恢復運動功能，並且已經獲得了相關監管機構的商業銷售許可。NMT 被認為是中國對 Elon Musk 的 Neuralink 的回應，該公司的股價在消息公佈後一度上漲了 10%。成立於 2011 年的 NMT 現在是全球少數幾家能夠實現產品商業化的公司之一。

腦-電腦介面是設計用來直接將大腦與計算機連接的設備，雖然設計各異，但通常包括能夠檢測神經元信號的電極。這些信號會被數字化並由專業軟件進行解碼，隨後這些解碼的信號可用於控制機械手臂、在屏幕上移動光標或操作義肢等功能。假如一個人想到移動手部，設備便會讀取這些大腦信號並轉化為實際動作。

這項技術目前主要針對幫助恢復因脊髓損傷、癱瘓、肌萎縮側索硬化症（ALS）或中風損傷等情況下患者的生活質量。NMT 的監管批准不僅對中國具有重要意義，也對整個行業的發展至關重要。在此之前，腦-電腦介面普遍被認為是實驗性技術，主要用於臨床試驗或醫院的研究與開發。這一批准意味著醫生可以實際開處方並植入這項醫療設備，這無疑是一個重要的里程碑。

NMT 的 BCI 大約有硬幣大小，並且是無線的。主設備植入大腦中，但不會穿透腦組織，設備位於大腦皮層的上方，從而減少損傷風險。它通過讀取這部分大腦的信號來工作，這部分大腦已知控制運動。這些信號然後被轉換為手部運動命令，因此患者想著「握緊手」，這一指令便會被解讀並在機械手或義肢上實施。

除了這項消息，中國似乎在積極推動包括 BCI 在內的尖端技術發展，因為這些技術被視為國家潛在的戰略優勢。這還包括人工智能（AI）、量子計算、生物技術和半導體等其他多種技術。針對腦-電腦介面，像 NMT 這樣的公司正受到中國的支持，幫助與潛在的外國競爭對手如 Neuralink 或 Synchron 競爭。因此，中國不僅加快了批准流程，還提供資金和臨床試驗的支持。

無論地緣政治如何，這一消息對於腦-電腦介面技術的發展來說都是一個重大事件。如果這項技術能夠擴展，將可能在醫學科學上產生革命性的影響。除了恢復運動功能，它還可以用於改善言語、視力，甚至用於治療癲癇或帕金森等致殘疾病。此技術也可能用於透過直接的腦-計算機控制增強正常健康人類的能力，並計劃用於增強人類記憶或實現直接的腦-腦通訊與信息傳遞。不過，這些應用目前仍將屬於尖端研究的範疇。

量子計算的最大承諾之一是能以前所未有的準確性模擬分子。如果量子計算機能有效運作，這將加速新藥物、電池和肥料的發現。然而，一項新的理論研究顯示，通往這一承諾的道路比許多研究人員預期的要遙遠得多。通過分析，研究作者指出，即使是最受歡迎的量子算法在計算分子的最低能量狀態時也面臨嚴重障礙，而這一基本量是理解化學反應所必需的。

研究人員檢視了量子計算機在分子模擬中實現實際優勢所需的條件，特別是聚焦於尋找分子的基態能量，這基本上是其電子的最低能量配置。了解這一數值有助於科學家預測化學穩定性及反應路徑。為了測試量子方法的可行性，團隊分析了兩種主要的量子化學計算算法：變分量子特徵解算器（VQE）和量子相位估計（QPE）。每種算法針對不同一代的量子硬件，並各有優缺點。

第一種算法 VQE，設計用於仍然嘈雜且易錯的近期量子計算機。VQE通過一種混合方法運作，其中量子計算機為分子準備候選量子態，而經典計算機則逐步調整參數以最小化計算出的能量。這一想法是逐漸接近分子的真實基態。然而，研究人員表示，去相干對 VQE 的準確性有很大傷害，進行相關的化學計算需要故障容忍量子計算機的性能，而不僅僅是嘈雜的硬件，即使有先進的錯誤緩解技術。

隨著分子的增大，問題變得更加嚴重。例如，當研究人員檢查鉻二聚體分子（Cr₂）時，他們發現僅一次 VQE 計算的迭代可能需要約 25 天。當考慮到許多所需的優化步驟時，總運行時間可能會延長至約 24 年。處理強相關分子時，挑戰也顯而易見，因為電子以複雜方式相互作用。這類系統通常涉及過渡金屬，並被認為是量子計算的重要目標，因為它們對經典模擬來說非常困難。然而，研究顯示 VQE 經常難以準確處理這些分子。

第二種算法 QPE，則設計用於未來的故障容忍量子計算機，這些計算機可以自我糾正錯誤。理論上，QPE 可以以極高的精度確定能量水平，然而它也面臨著不同的挑戰。QPE 需要一個初始的量子態，該態必須與分子的真實基態相似。如果起始猜測不佳，獲得正確答案的概率將變得非常小。研究人員發現，隨著分子增大，這一問題會顯著惡化，這是由於所謂的正交性災難現象。隨著粒子數量增加，準備的輸入態與真實基態的重疊指數性下降。

為了解決這一問題，團隊制定了一個標準，用於估算準備的輸入態與真實基態之間的重疊，這是基於初始態的能量和能量方差。通過將這一框架應用於由先進經典化學方法產生的輸入態，他們顯示出隨著分子大小的增加，重疊持續指數性減少。這意味著，即使未來出現故障容忍的量子計算機，QPE 在處理大型分子時仍可能面臨挑戰，因為成功提取正確能量的機會會變得微乎其微。

這些結果突顯了經典計算化學方法在某些情況下仍然具有意外的競爭力，甚至在完美的量子硬件下也可能優於量子方法。研究作者解釋道，「這些觀察可能還表明，在化學中，基態估計可能不是量子計算機的最合適目標。除了本文所列出的量子處理器問題外，這一說法也源於經典狀態準備方法的相對優良質量。」然而，該研究並未排除進步的可能性。

故障容忍量子硬件的進步、改進的狀態準備方法以及更高效的算法最終可能克服一些已識別的障礙。然而，現階段的研究則作為一個現實檢驗。要在化學領域實現真正的量子優勢，可能需要在硬件和算法方面取得突破，才能使量子計算機在這些基本的分子計算上超越經典機器。該研究發表在《物理評閱 B》期刊上。