Два аналітики з напівпровідників написали звіт Emerging Memories і припустили, що MRAM має хороші перспективи для заміни SRAM і NOR flash у периферійних обчислювальних пристроях, які потребують обробки та аналізу даних у режимі реального часу.

Том Кофлін (Tom Coughlin) з Coughlin Associates і Джім Хенді (Jim Handy) з Objective Analysis підготували 272-сторінковий аналіз із 30 таблицями перспектив розвитку п’яти нових технологій пам’яті: MRAM, пам’ять зі зміною фази (PCM), сегнетоелектрична RAM (FERAM), резистивна пам’ять, RAM (ReRAM) і NRAM/UltraRAM. Зазвичай це енергонезалежні пам’яті зі швидкістю доступу до даних DRAM і планами збільшення щільності, які обіцяють вийти за межі масштабування NAND і NOR і споживати менше електроенергії, ніж постійно оновлювані DRAM і SRAM.

Кофлін пише: «З розвитком Інтернету речей і дедалі більшою кількістю пристроїв, що проводять вимірювання даних, які раніше не вимірювалися, світові потреби в обробці даних зростатимуть експоненціально, включаючи навчання штучного інтелекту та висновки з використанням даних із цих пристроїв. Це зростання не буде відповідати збільшенню пропускної здатності зв’язку, незважаючи на впровадження нових бездротових стандартів, таких як 5G».

Це означає, що дані потрібно буде обробляти там, де вони генеруються, і де мають застосовуватися результати аналітики – на периферії IoT.

Комунікаційні зв’язки між периферійними сайтами та віддаленими ЦОД будуть надто повільними, пише Кафлін, щоб віддалені ЦОД могли виконувати роботу в межах реального та майже реального часу.

Intel зробила найрішучішу спробу популяризувати нову технологію пам’яті за допомогою Optane 3D-XPoint на основі технології PCM. Це не вдалося через складність програмних потреб і вартість. Витрати на виробництво чіпів Optane в основному складаються з вартості виробничого обладнання та матеріалів, поділеної на кількість вихідних чіпів.

Виробництву напівпровідників властиво, що чим вищий обсяг продукції, тим нижча вартість.
                                                
З Optane Intel могла б оцінити свої чіпи на основі набагато вищої продуктивності та продати їх більше, але вона б записала збитки, хоча вартість була б астрономічно високою. Це нова пастка витрат на виробництво пам’яті. Великий обсяг продажів вимагає низьких цін на основі великого обсягу виробництва на дорогому заводі. Але постачальник починає з низького обсягу виробництва, що означає високі витрати на чіп, і повинен нести збитки, доки обсяг продажів не зросте настільки, щоб виправдати збільшення обсягу виробництва, що знижує витрати на чіп.

Немає гарантії, що обсяги продажів зростуть достатньо, тому виробник може з часом продати достатньо мікросхем, щоб виправдати збільшення виробництва. Цього не сталося з Optane, і Intel і її виробничий партнер Micron вийняли штепсель з розетки і вбили продукт.

Жодна з п’яти нових технологій пам’яті, визначених Кофліном і Хенді, не є  новою в часовому відношенні, але жодна з них ще не подолала прірву й не  стала масовим виробництвом. Ці двоє вважають, що MRAM і його близький двоюрідний брат STT-RAM мають провідні шанси стати широко використовуваними, причому MRAM має найбільший шанс.
                                                         
За їхніми оцінками, у 2022 році було вироблено 133 ТБ MRAM, що принесло 118 мільйонів доларів доходу, і виробництво може зрости до 4,56 EB у 2033 році та доходів у 980 мільйонів доларів. У той час доходи від DRAM та NAND були б значно вищими, з DRAM на суму близько 100 мільярдів доларів.

                                   

Під час Gartner IT Symposium/Xpo 2023, який проходив 11-13 вересня на Голд-Кост, Австралія, аналітики обговорювали тенденції корпоративних технологій.
 
Gartner, Inc. виділила п’ять технологій, які змінять цифрове майбутнє організацій. Серед них – цифрові люди, супутниковий зв’язок, крихітний Інтернет речей, безпечні обчислення та автономні роботи.

Виступаючи на симпозіумі, Нік Джонс (Nick Jones), віце-президент та видатний аналітик Gartner, сказав: «Усі ці п’ять технологій є потенційно трансформаційними, і їх слід досліджувати зараз через їх широку сферу застосування та здатність створювати нові бізнес-моделі або значні нові можливості. Однак визначення руйнівної діяльності у всіх різне, тому треба оцінювати її з унікальної точки зору вашої організації та її потенційного впливу. Потім розгляньте нові бізнес-можливості, створені як окремими технологіями, так і їх комбінаціями» (див. малюнок).

1. Супутниковий зв'язок
Зростаючий інтерес до супутникового зв’язку на низькій навколоземній орбіті (LEO) викликаний демократизацією та комерціалізацією космосу. Низька затримка робить LEO важливою технологією для підприємств, яка революціонізує комунікації з людьми та речами.

За словами Gartner, LEO забезпечить широкосмуговий зв’язок із глобальним покриттям і достатньо низькою затримкою для широкого спектру завдань: пряме супутникове підключення для невеликих пристроїв IoT для забезпечення доступного глобального покриття без залучення SIM-карт, операторів зв’язку та роумінгу, а також послуги голосу та даних із супутника на немодифікований смартфон 4G для розширення покриття до віддалених місць.                                          

«Індустрія все ще тільки зароджується, і очікується значний розвиток, тому будьте обережні до прийняття LEO на ранньому етапі, оскільки це нова технологія на складному ринку», — сказав Джонс.

2. Крихітний IoT
Крихітний навколишній Інтернет речей дає змогу позначати тегами, відстежувати та сприймати будь-що без складності та вартості пристроїв, що живляться від батареї. Результатом є здатність ненав’язливо сприймати більше інформації, про більше речей, різними способами, за нижчу ціну, ніж у минулому.

Це дозволить створити нові екосистеми, нові бізнес-моделі, засновані на знанні розташування або поведінки об'єктів, розумніші продукти з новою поведінкою і набагато нижчу вартість відстеження та моніторингу.
Маленький IoT розширить можливості для широкого кола компаній, але Gartner рекомендує оцінити потенційні соціальні та регуляторні проблеми перед впровадженням.

3. Безпечне обчислення
Безпечні обчислення стають життєво важливими, оскільки речі стають все більш пов’язаними, а екосистеми отримують більше особистої інформації. Це дозволяє використовувати дані без шкоди для конфіденційності.

Незважаючи на те, що багато принципів безпечних обчислень уже встановлено, реалізація є складною через вартість, навички, продуктивність і доступність. Gartner вважає, що нові технології, такі як оптичні прискорювачі, будуть важливими для розгортання, щоб допомогти подолати ці проблеми.

4. Цифрові люди
Цифрові люди — це інтерактивні репрезентації, керовані ШІ, які імітують деякі характеристики, особистість, знання та мислення людини. Вони варіюються від фізичних (наприклад, людиноподібні роботи) до віртуальних (наприклад, віртуальні поп-зірки); або керований людиною (наприклад, імітація аспектів людини) до керованого штучним інтелектом, де їм не потрібно бути схожими на людину в усіх аспектах (наприклад, цифровий двійник або чат-бот).

Незважаючи на свій потенціал, цифрові люди створюють багато проблем, включаючи неетичне застосування, неадекватну поведінку, створення упередженості та стереотипів, відсутність регулювання, ризик соціальної негативної реакції, різні культурні установки і більше. Gartner рекомендує оцінити потенційні соціальні та нормативні проблеми перед прийняттям.

5. Адаптивні автономні дрони та роботи
Автономні системи — це самокеровані фізичні або програмні системи, що виконують завдання, які демонструють автономію, навчання та свободу волі (відчуття власної особистої мети). Системи, які навчаються та адаптуються автономно, будуть дуже важливі, якщо такі технології, як роботи, будуть масштабовані для досягнення повного потенціалу.

Однак існує безліч проблем, оскільки може бути неочевидним, чого навчився робот чи система штучного інтелекту або що вони можуть (чи не можуть) робити. Gartner рекомендує пілотувати їх у складних і швидко мінливих середовищах, де раннє впровадження забезпечить гнучкість і продуктивність. Керуйте ризиком шляхом аналізу ділових, правових та етичних наслідків.

П’ять технологій, які змінять цифрове майбутнє підприємств

Німецький стартап Cerabyte заявляє, що його технологія зберігання на основі кераміки дозволить створювати стійкове сховище для ЦОД розміром 100 петабайтів за допомогою картриджів CeraMemory  і 1 ексабайт за допомогою керамічної стрічки CeraTape .

Найближчим часом компанія офіційно представить технологію зберігання на основі неорганічних наношарів із використанням кераміки товщиною 50-100 атомів для зберігання інформації. Заявляється, що ця розробка дозволяє не тільки зробити накопичувачі даних більш компактними, але й захистити їх від більшості загроз для носіїв даних: пожежі, повені, стрибків струму тощо.

Дані можна записувати та зчитувати за допомогою лазерних променів або променів частинок, структуруючи інформацію в матрицях даних, подібно до QR-кодів.

Cerebyte наголошує, що щільність об’ємних даних в основному залежить від товщини основи, яка може складатися зі скляних листів товщиною 100-300 мкм або стрічки товщиною 5 мкм з керамічним покриттям товщиною 10 нм.

Передбачається, що технологія буде масштабуватися зі зменшенням наночастинок від 100 нм до 3 нм, що відповідає збільшенню площовій щільності від ГБ/см² до ТБ/см². Зчитування даних досягається за допомогою методів мікроскопічного зображення високої роздільної здатності для оптичного зчитування або електронно-променевої мікроскопії для структур, що знаходяться нижче межі оптичної дифракції.

Форма носія інформації, скляного листа, всередині картриджа Nano Memory наразі поки що невідома. Це може бути, наприклад, диск, який має обертатися. Про це свідчить співпраця Cerabyte з виробником оптичних дисків Sony.

Матриці лазерного променя дозволять масштабувати щільність зберігання стійки центру обробки даних від початкових систем на 10 ПБ до 100 ПБ з використанням картриджів CeraMemory (2025-30 рр.) і 1 EB з використанням CeraTape (2030-2035 рр.). Використання матриці пучків частинок забезпечать подальше масштабування.

Швидкість читання класу ГБ/с буде забезпечена високошвидкісними датчиками зображення в поєднанні з розширеним доступом роботизованих пристроїв. Для оптимізованих за продуктивністю систем Ceramic Nano Memory час читання знаходиться в межах секундного класу, аж до кількох секунд.

Cerabyte каже, що її керамічна нанопам’ять також може дозволяти записувати дані зі швидкістю класу ГБ/с, забезпечуючи їх швидке приймання для систем на основі стійки центру обробки даних. Компанія стверджує, що може записати до 2 000 000 біт одним лазерним імпульсом.

Запис пучка частинок на стрічці може досягти щільності класу TB/мм3, як підкреслюється, перевищуючи щільність зберігання всіх комерційно доступних сьогодні рішень для зберігання даних на порядок.

Очікується, що продукти Cerabyte запропонують структуру витрат нижчу за прогнози поточних комерційних технологій зберігання.

Крім того, новий носій буде повністю придатний для повторного перероблювання, має низьку потужність доступу для запису та читання, а також високу довговічність носія.

Cerebyte наголошує, що її Nano Memory готова задовольнити парадигми щільності, продуктивності та доступу, а також вимоги щодо вартості та стійкості центрів обробки даних, пропонуючи масштабний шлях до ери Yottabyte.

Зверніть увагу на написані дані типа QR-коду зліва від світлового променя

Дослідники, здається, розгадали головоломку LK-99. Науково-детективна робота знайшла докази того, що матеріал не є надпровідником, і з’ясувала його фактичні властивості.

Цей висновок розвіює надії на те, що LK-99 — сполука міді, свинцю, фосфору та кисню — ознаменувала відкриття першого надпровідника, який працює при кімнатній температурі та тиску навколишнього середовища. Натомість дослідження показали, що домішки в матеріалі — зокрема, сульфід міді — були відповідальними за різке падіння електричного опору та часткову левітацію над магнітом, що виглядало схожим на властивості, які демонструють надпровідники.

Сага про LK-99 почалася наприкінці липня, коли команда з дослідницького центру квантової енергії в Сеулі опублікувала препринти, в яких стверджувалося, що LK-99 є надпровідником за нормального тиску і температури щонайменше до 127 ºC.

Надзвичайне твердження швидко привернуло увагу науково зацікавленої громадськості. Деякі з дослідників намагалися відтворити LK-99. Початкові спроби не виявили ознак надпровідності при кімнатній температурі. Тепер, після десятків спроб відтворення, багато експертів впевнено кажуть, що LK-99 не є надпровідником кімнатної температури.

Мабуть, найяскравішим доказом надпровідності LK-99 стало відео, зняте корейською командою, яке показало зразок сріблястого матеріалу у формі монети, який коливався над магнітом. Команда заявила, що зразок левітує через ефект Мейснера — характерну ознаку надпровідності, при якій матеріал витиснює магнітні поля.

У Дерріка ван Геннепа (Derrick van Gennep), колишнього дослідника конденсованих середовищ із Гарвардського університету в Кембриджі, штат Массачусетс, виникли кілька тривожних прапорців. Він вважав, що властивості LK-99, швидше за все, є результатом феромагнетизму.

У своєму препринті корейські автори відзначають одну конкретну температуру, при якій LK-99 показав десятикратне зниження питомого опору, приблизно з 0,02 Ом-см до 0,002 Ом-см. «Вони були дуже точні щодо цього - 104,8ºC, — каже Прашант Джайн (Prashant Jain), хімік з Іллінойського університету Урбана-Шампейн. - Я подумав: зачекай, я знаю цю температуру».

Реакція, яка синтезує LK-99, використовує незбалансований рецепт: на кожну 1 частину кристала фосфату свинцю, легованого міддю, — чистого LK-99 — утворюється 17 частин міді та 5 частин сірки. Ці залишки призводять до численних домішок — особливо сульфіду міді, про що корейська команда повідомила у своєму зразку.

Джайн, експерт із сульфіду міді, згадав 104ºC як температуру, при якій Cu2S зазнає фазового переходу. Нижче цієї температури опір Cu2S, що знаходиться на повітрі, різко падає — сигнал майже ідентичний передбачуваному надпровідному фазовому переходу LK-99. «Я майже не вірив, що вони пропустили це», - відмітив він.

Завдяки серйозним поясненням падіння питомого опору та напівлевітації багато хто в спільноті були переконані, що LK-99 не є надпровідником кімнатної температури.

14 серпня окрема група в Інституті дослідження твердого тіла Макса Планка в Штутгарті, Німеччина, повідомила про синтез чистих монокристалів LK-99. Відокремлений від домішок, LK-99 не є надпровідником, а ізолятором з опором у мільйони Ом — надто високим, щоб провести стандартний тест на провідність. Він демонструє незначний феромагнетизм і діамагнетизм, але недостатній навіть для часткової левітації. «Тому ми виключаємо наявність надпровідності», – підсумувала команда.

Команда припускає, що натяки на надпровідність, помічені в LK-99, можна віднести до домішок Cu2S, які відсутні в їх кристалі. «Ця історія точно показує, чому нам потрібні монокристали, — каже Паскаль Пуфал (Pascal Puphal), фахівець із росту кристалів і фізик Макса Планка, який керував дослідженням. - Коли у нас є монокристали, ми можемо чітко вивчити внутрішні властивості системи».                                       
      

Компанія Gartner, Inc., висвітлила головні тенденції, що впливають на майбутнє науки про дані та машинне навчання (DSML), оскільки галузь стрімко зростає та розвивається, щоб відповідати зростаючій значущості даних у штучному інтелекті, особливо коли фокус зміщується в бік інвестицій у генеративний АІ.

Виступаючи на саміті Gartner Data & Analytics у Сіднеї, Пітер Кренскі (Peter Krensky), директор-аналітик Gartner, сказав: «Оскільки впровадження машинного навчання продовжує швидко зростати в галузях, DSML еволюціонує від фокусування лише на прогнозних моделях до більш демократичної та динамічної дисципліни, орієнтованої на дані. Зараз це також підживлюється запалом навколо генеративного АІ. У той час як з’являються потенційні ризики, з’являється багато нових можливостей і варіантів використання для науковців із обробки даних та їхніх організацій».

За даними Gartner, майбутнє DSML формують такі основні тенденції.

- По-перше, екосистеми хмарних даних. Вони переходять від автономного ПЗ або змішаних розгортань до повноцінних хмарних рішень. Gartner очікує, що до 2024 р. 50% нових розгортань систем у хмарі базуватимуться на цілісній екосистемі хмарних даних, а не на точкових рішеннях, інтегрованих вручну.

Gartner рекомендує організаціям оцінювати екосистеми даних на основі їх здатності вирішувати проблеми з розподіленими даними, а також отримувати доступ до джерел даних за межами свого безпосереднього оточення та інтегруватися з ними.

- По-друге, Edge AI, який зосереджується на розширенні робочих процесів розробки та розгортання штучного інтелекту для роботи на мобільних телефонах, розумних пристроях, автономних транспортних засобах, фабричному обладнанні та віддалених периферійних центрах обробки даних. Існують різні ступені цього. Як мінімум крайовий пристрій, наприклад розумний динамік, може надсилати всю мову в хмару.

Gartner прогнозує, що до 2025 року більше 55% усіх аналізів даних за допомогою глибоких нейронних мереж відбуватиметься в точці захоплення периферійною системою. Організаціям слід визначити додатки, навчання АІ та логічні висновки, необхідні для перейти до крайових середовищ поблизу кінцевих точок IoT.

- Наступна тенденція — відповідальність АІ. Це робить його позитивною силою, а не загрозою суспільству та самому собі. Він охоплює багато аспектів прийняття правильного ділового та етичного вибору під час впровадження штучного інтелекту, які організації часто вирішують незалежно, такі як бізнес і суспільна цінність, ризик, довіра, прозорість і підзвітність.

Gartner рекомендує організаціям прийняти підхід, пропорційний ризику, щоб забезпечити цінність АІ, і бути обережними під час застосування рішень і моделей.

- Далі, АІ, орієнтований на дані. Такий АІ являє собою перехід від підходу, орієнтованого на модель і код, до більшої зосередженості на даних для створення кращих систем АІ.

Використання генеративного штучного інтелекту для створення синтетичних даних є областю, яка швидко розвивається, звільняючи від тягаря отримання даних реального світу, щоб можна було ефективно навчати моделі машинного навчання. Gartner прогнозує, що до 2024 року 60% даних для штучного інтелекту будуть синтетичними, щоб симулювати реальність, майбутні сценарії та позбавляти ризиків АІ, порівняно з 1% у 2021 році.

Нарешті, що до інвестування в АІ. Інвестиції продовжуватимуть прискорюватися як організаціями, які впроваджують рішення, так і галузями, які прагнуть розвиватися завдяки технологіям штучного інтелекту та підприємствам, заснованим на штучному інтелекті. До кінця 2026 року Gartner прогнозує, що понад 10 мільярдів доларів буде інвестовано в стартапи зі штучним інтелектом, які покладаються на основні моделі – великі моделі штучного інтелекту, які навчаються на величезних обсягах даних.

При нещодавньому опитування Gartner, в якому взяли участь понад 2500 керівників, 45% повідомили, що останній ажіотаж навколо ChatGPT спонукав їх збільшити інвестиції в штучний інтелект, а 70% сказали, що їхня організація працює в режимі дослідження та вивчення генеративного штучного інтелекту, а 19% — у пілотному або виробничому режимі.

Відповідальність АІ робить його позитивною силою, а не загрозою суспільству та самому собі

Щомиті незліченні обсяги приватної інформації проносяться по інтернет-кабелях і оптичних волокнах. Конфіденційність цієї інформації залежить від способу шифрування даних.

Але математична основа цих методів знаходиться під загрозою з боку ворога, який донедавна здавався гіпотетичним: квантових комп’ютерів.

Сьогодні квантові комп’ютери занадто слабкі, щоб подолати сучасні заходи безпеки. Але з тим, що такі потужні квантові машини, які регулярно розгортають IBM і Google, вчені, уряди та інші починають вживати заходів. Експерти поширюють інформацію про те, що настав час підготуватися до важливої віхи, яку деякі називають Y2Q (Years to Quantum). Цього року квантові комп’ютери отримають можливість зламувати схеми кодування, які забезпечують безпеку електронних комунікацій.

«Якщо це шифрування колись буде зламано, — каже математик Мікеле Моска (Michele Mosca), — це буде системна катастрофа».

Зараз вчені та математики терміново працюють над підготовкою до цієї невідомої дати, розробляючи нові способи шифрування даних, які не будуть сприйнятливі до квантового декодування.
                                                                              
Якщо необхідно поділитися з кимось секретним повідомленням, можна зашифрувати його, щоб можна було розшифрувати пізніше.

При шифруванні з симетричним ключем для кодування та декодування повідомлення використовується той самий секретний ключ.
 
Але в сучасному світі з глобальним зв’язком криптографія з симетричним ключем є проблема. Як доставити секретний ключ до когось на іншому кінці планети, когось, кого ви ніколи не зустрічали, і щоб він не потрапив до нікого іншого?

Щоб вирішити цю проблему, у 1970-х роках вчені розробили криптографію з відкритим ключем, яка використовує спеціальні математичні трюки для вирішення головоломки симетричного ключа. Вона використовує два різні, математично пов’язані ключі. Відкритий ключ використовується для шифрування повідомлень, а математично пов’язаний закритий ключ розшифровує їх. Але квантові комп’ютери загрожуватимуть криптографії з відкритим ключем.

Щоб прочитати інформацію, треба мати доступ до даних за допомогою закритого ключа. «Десь там мають бути потаємні двері, куди, якщо я постукаю правильно, вони відчиняться», — каже Моска.

Проблема пошуку простих множників великого числа лежить в основі одного з основних типів шифрування з відкритим ключем, який використовується сьогодні, відомого як RSA. Інша математична задача, відома як проблема дискретного логарифма, є подібною вулицею з одностороннім рухом.

Ці дві математичні проблеми лежать в основі майже всієї криптографії з відкритим ключем, яка використовується сьогодні. Але достатньо потужний квантовий комп’ютер розкрив би таємні двері навстіж.

Ця вразливість виявилася в 1994 році, коли математик Пітер Шор розробив алгоритм, який дозволив би квантовим комп’ютерам розв’язувати обидві ці математичні проблеми.

За оцінками Моска, у найближчі 15 років є приблизно 50% шанс появи квантового комп’ютера, достатньо потужного, щоб зламати стандартне шифрування з відкритим ключем.

Квантовий Інтернет може посилити безпеку. Завдяки передачі фотонів і вимірюванню їхніх властивостей після надходження можна згенерувати спільний приватний ключ, який надійно захищений від перехоплювачів.

Цей квантовий розподіл ключів, або QKD, спирається на принцип квантової фізики, який називається теоремою про заборону клонування. По суті, неможливо скопіювати квантову інформацію. Будь-яка спроба зробити це змінить початкову інформацію, виявивши, що хтось стежив.

Але QKD не можна зробити через звичайні канали. Для цього потрібні квантові мережі, в яких створюються фотони, які мчать по оптичних волокнах і ними маніпулюють на іншому кінці.

І один відсутній компонент, зокрема, стримує квантові мережі. «Пристроєм номер один є квантова пам’ять», — каже квантовий фізик Сюнфен Ма (Xiongfeng Ma) з Університету Цінхуа в Пекіні. При надсиланні квантової інформації на великі відстані через волокна, частинки можуть легко загубитися на цьому шляху. Для відстаней понад 100 кілометрів це робить квантовий зв’язок непрактичним без використання проміжних станцій, які підсилюють сигнал. Такі шляхові станції тимчасово перетворюють дані в класичну, а не квантову інформацію. Цей класичний крок означає, що хакери можуть націлитися на ці «надійні вузли» непоміченими, погіршуючи безпеку QKD. І це обмежує те, які квантові маневри можуть робити мережі.

Неможливо створити пари частинок, які переплутані на великих відстанях у такій мережі. Але спеціальні станції, розкидані по всій мережі, які називаються квантовими повторювачами, можуть вирішити проблему, зберігаючи інформацію в квантовій пам’яті. Щоб створити далеко розташовані заплутані частинки, вчені могли спочатку переплутати набори частинок на короткій відстані, зберігаючи їх у квантовій пам’яті на кожному квантовому ретрансляторі. Виконання певних операцій із заплутаними частинками може перескочити на інші частинки, розташовані далі одна від одної. Повторюючи цей процес, частинки можуть заплутуватися на великих відстанях.

Квантові методи, виконані належним чином, можуть перешкодити будь-кому перехопити секрети, навіть потужним державним установам.

«Цікаво подумати про світ, де, в принципі, можна уявити ідеальну безпеку, — каже Авшалом. — Це добре чи погано?»

Зв’язок між наземною станцією (червоний і зелений лазери) і квантовим супутником Micius показує потенціал безпечного зв’язку на великій відстані. Супутник випромінює фотони на наземну станцію в Сінлун, Китай.

На ресурсі Microsoft Research Blog з’явилась публікація партнера-дослідника Хітеша Баллані (Hitesh Ballani) про блискавичний підхід до оптимизації з допомогою аналогової ітеративної машини (Analog Iterative Machine — АІМ).

AIM розроблена для вирішення складних задач оптимізації, які є основою багатьох галузей, таких як фінанси, логістика, транспорт, енергетика, охорона здоров’я та виробництво. Традиційним цифровим комп’ютерам важко вирішити ці проблеми своєчасно, енергоефективним і економічно ефективним способом. Проблема комівояжера є класичним прикладом.

Команда AIM розробила дизайн, який поєднує математичні знання з передовими алгоритмічними та апаратними досягненнями. Результатом є аналоговий оптичний комп’ютер, який може вирішувати набагато ширший спектр реальних проблем оптимізації, забезпечуючи потенційне збільшення швидкості та ефективності приблизно в сто разів.

Технологія
Аналогові оптичні обчислення передбачають побудову фізичної системи за допомогою комбінації аналогових технологій – як оптичних, так і електронних – керованих рівняннями, які фіксують необхідні обчислення.   Команда розробила новий алгоритм, який є дуже ефективним. Найважливіше те, що основна операція алгоритму включає виконання сотень тисяч або навіть мільйонів векторно-матричних множень. Ці множення виконуються швидко та з низьким споживанням енергії за допомогою стандартних оптичних та електронних технологій.

Значення задач оптимізації
Проблеми оптимізації — це математичні задачі, які вимагають пошуку найкращого можливого рішення з набору можливих альтернатив. Сучасний світ значною мірою покладається на ефективні рішення цих проблем – від управління електроенергією в наших електромережах і оптимізації доставки товарів морем, повітрям і землею до оптимізації маршрутизації інтернет-трафіку.

Протягом багатьох років дослідники як у промисловості, так і в наукових колах створювали вражаючі спеціалізовані машини для ефективного вирішення проблем оптимізації за допомогою евристичних алгоритмів.  Однак усі вони покладаються на відображення складних проблем оптимізації в одному двійковому представленні, яке часто називають Ising, Max-Cut або QUBO (квадратична необмежена бінарна оптимізація). На жаль, жодна з цих спроб не забезпечила практичної альтернативи звичайним комп’ютерам.

За допомогою AIM команда представила більш виразну математичну абстракцію під назвою QUMO (квадратична необмежена змішана оптимізація), яка може представляти змішані – двійкові та неперервні – змінні та сумісна з апаратною реалізацією, що робить її «солодкою точкою» для багатьох практичних, серйозно-обмежених задач оптимізації.

AIM також реалізує новий і ефективний алгоритм для вирішення проблем QUMO, який спирається на вдосконалену форму градієнтного спуску, техніку, яка також популярна в машинному навчанні. Алгоритм показує висококонкурентоспроможну продуктивність і точність у різних промислово створених контрольних тестах. Комп’ютер AIM першого покоління, створений минулого року, вирішує задачі оптимізації QUMO, які представлені з точністю до 7 біт.

Переосмислення оптимізації за допомогою QUMO
Проект AIM для спільного проектування нетрадиційного апаратного забезпечення з виразною абстракцією та новим алгоритмом має потенціал започаткувати нову еру в методах оптимізації, апаратних платформах і автоматизованих процедурах відображення проблем, використовуючи більш виразну абстракцію QUMO. Нещодавні дослідження вже показали, що підвищена експресивність із безперервними змінними може значно розширити реальні бізнес-проблеми, які можна вирішити.

Наважуючись на нову абстракцію, треба також прийняти нові способи мислення. Для команди вкрай важливо побудувати сильну спільноту, щоб глибоко досліджувати переваги прийняття QUMO.

Щоб полегшити це, симулятор AIM випускається як послуга, що дозволяє вибраним користувачам отримати досвід з перших рук.

Ілюстрація комп’ютера AIM, який реалізує масове паралельне векторно-матричне множення за допомогою стандартних оптичних технологій (на задньому плані) та нелінійності, застосованої за допомогою аналогової електроніки (на передньому плані). Вектор представлено за допомогою масиву джерел світла, матриця вбудована в масив модулятора (показано у відтінках сірого), а результат збирається в датчик камери

Всі знайомі зі станами матерії, з якими ми стикаємося щодня, як-от твердий, рідкий і газоподібний, але в більш екзотичних і екстремальних умовах можуть з’являтися нові стани, і вчені зі США та Китаю щойно знайшли один такий.

Вони називають це хіральним бозе-рідинним станом, і, як і з кожним новим розташуванням частинок, яке ми виявляємо, воно може розповісти нам більше про структуру та механізми Всесвіту навколо нас – і, зокрема, про надмалу величину квантового масштабу.

Стан матерії описує, як частинки можуть взаємодіяти одна з одною, створюючи структури та різні способи поведінки. Зафіксуйте атоми на місці, і ви отримаєте тверде тіло. Дозвольте їм текти, у вас є рідина або газ. Іонезуйте газ, у вас є плазма.

Квантовий ландшафт надає ще дивніші способи взаємодії частинок, дозволяючи унікальну поведінку, яка найкраще описується з точки зору можливості та енергії.

Дослідники виявили новий стан через фрустровану квантову систему. Простіше кажучи, це система з вбудованими обмеженнями, які перешкоджають частинкам взаємодіяти, як вони могли б зазвичай (отже, розчарування, або науковою мовою — фрустрація).

Ці обмеження – і, як наслідок, фрустрація – можуть створити захоплюючі результати для вчених. Тут дослідники зосередилися на електронах і використали аналогію гри для гостей на вечірці, щоб пояснити, що відбувається.

«Це схоже на гру, в якій гравці марширують під музику навколо ряду стільців, кількість яких на один менше, ніж гравців, і борються за місця, коли музика припиняється. В даному випадку роль гравців виконують електрони», — каже фізик-теоретик конденсованої матерії Тигран Седракян з Університету Массачусетса в Амгерсті.

«Замість того, щоб у кожного електрона було крісло, яке він міг би зайняти, вони повинні змагатися за можливість сісти».
                                                                               
Дослідники створили напівпровідниковий пристрій із двома шарами: верхній, багатий електронами, і нижній із багатьма доступними отворами, куди електрони можуть проникати природним чином. Але отворів для всіх електронів не вистачає.

Хоча таку систему залишається важко спостерігати, команда використала надсильне магнітне поле, щоб виміряти, як рухаються електрони, виявивши перші докази нового хірального стану бозе-рідини.

«На краю напівпровідникового подвійного шару електрони та дірки рухаються з однаковими швидкостями, — говорить фізик Лінцзе Ду (Lingjie Du) з Нанкінського університету в Китаї. - Це призводить до спіралеподібного транспорту, який може додатково модулюватися зовнішніми магнітними полями, оскільки електронні та діркові канали поступово розділяються під більш високими полями».

Цей новий стан виявив деякі досить цікаві властивості. Наприклад, електрони заморозяться у передбачувану схему та будуть обертатися у фіксованому напрямі при абсолютному нулі, і їм не можуть заважати інші частинки чи магнітні поля. Ця стабільність може мати застосування в цифрових системах зберігання на квантовому рівні.

Більше того, зовнішні частинки, що впливають на один електрон, можуть впливати на всі електрони в системі завдяки квантовому заплутуванню на відносно великій відстані. Це схоже на врізання битка в пачку більярдних куль, і всі ці кулі рухаються в одному напрямку у відповідь – ще одне відкриття, яке може бути корисним.

Хоча все це стосується фізики дуже високого рівня, кожне таке відкриття – це дивацтва та крайні випадки, які відбуваються за межами звичайних взаємодій частинок – наближає нас до повного розуміння нашого світу.

«Ви знаходите вихід із квантових станів матерії на цих межах, і вони набагато дикіші, ніж три класичні стани, з якими ми стикаємось у повсякденному житті», — каже Седракян.

Прототип системи, який був запущений на орбіту в січні, працює і продемонстрував свою здатність бездротової передачі електроенергії в космосі і вперше випромінив її на Землю.

Бездротова передача електроенергії була продемонстрована MAPLE, однією з трьох ключових технологій, які випробовуються космічним демонстратором сонячної енергії (SSPD-1), першим космічним прототипом проекту космічної сонячної енергії (SSPP) Каліфорнійського технологічного інституту (Калтех). SSPP має на меті збирати сонячну енергію в космосі та передавати її на поверхню Землі.

MAPLE, скорочення від Microwave Array for Power-transfer Low-orbit Experiment і один із трьох ключових експериментів у рамках SSPD-1, складається з масиву гнучких легких мікрохвильових передавачів енергії, керованих спеціальними електронними чіпами, створеними з використанням недорогих кремнієвих технологій. Він використовує масив передавачів для передачі енергії в потрібні місця. Для того щоб SSPP був здійсненним, масиви для передачі енергії повинні бути легкими, щоб мінімізувати кількість палива, необхідного для відправлення їх у космос, гнучкими, щоб їх можна було скласти в пакет, який можна транспортувати в ракеті, і недорогою технологією в цілому.

MAPLE був розроблений командою Калтеха під керівництвом Алі Хаджімірі (Ali Hajimiri), професора електротехніки та медичної інженерії школи Брена та співдиректора SSPP.

«Завдяки експериментам, які ми провели досі, ми отримали підтвердження того, що MAPLE може успішно передавати енергію приймачам у космосі, — каже Хаджімірі. - Ми також змогли запрограмувати решітку так, щоб вона спрямовувала свою енергію на Землю, що ми виявили тут, у Калтех. Ми, звичайно, випробували її на Землі, але тепер ми знаємо, що вона може пережити подорож у космос і працювати там».

MAPLE має дві окремі матриці приймачів, розташовані приблизно в футі від передавача, щоб приймати енергію, перетворювати її в електрику постійного струму і використовувати її для освітлення пари світлодіодів, щоб продемонструвати повну послідовність бездротової передачі енергії на відстань у просторі.

У MAPLE також є невелике вікно, через яке масив може випромінювати енергію. Ця передана енергія була виявлена приймачем на даху інженерної лабораторії Гордона та Бетті Мур у кампусі Калтеха в Пасадені. Отриманий сигнал з’явився в очікуваний час і на правильній частоті та мав правильний зсув частоти, як передбачалося на основі його подорожі з орбіти.

Космічна сонячна енергія дає можливість використовувати практично необмежену кількість сонячної енергії в космічному просторі, де вона  постійно доступна, не піддаючись циклам дня і ночі, сезонів і хмарного покриву, потенційно виробляючи у вісім разів більше енергії, ніж сонячні панелі в будь-якому місці на поверхні Землі. Після повної реалізації SSPP розгорне групу модульних космічних кораблів, які збирають сонячне світло, перетворюють його на електрику, а потім перетворюють на мікрохвилі, які будуть передаватись по бездротовому зв’язку на великі відстані, куди завгодно, включаючи місця, де наразі немає доступу до надійного джерела живлення.

«Подібно до того, як Інтернет демократизував доступ до інформації, ми сподіваємося, що бездротова передача енергії демократизує доступ до енергії», — каже Хаджімірі.

Окремі блоки SSPP складатимуться в пакети об’ємом приблизно 1 кубічний метр, а потім розгортатимуться в плоскі квадрати приблизно по 50 метрів на сторону, з сонячними батареями з одного боку, спрямованими до сонця, і бездротовими передавачами енергії з іншого боку, спрямованими до Землі.

Космічний корабель Momentus Vigoride, запущений на борту ракети SpaceX у рамках місії Transporter-6, доставив 50-кілограмовий SSPD у космос. Momentus надає Калтеху постійну підтримку корисного навантаження, включаючи надання даних, зв’язку, керування та телеметрії, а також ресурсів для оптимального фотозйомки та освітлення сонячними батареями. Весь набір із трьох прототипів у SSPD був розроблений, створений і протестований командою з приблизно 35 осіб — викладачів, постдокторів, аспірантів і студентів — у лабораторіях Калтеху. 

Дослідники з QuTech критично вдосконалили так званий «спіновий кубіт Андрєєва» і вважають, що він може стати головним кандидатом у пошуках ідеального кубіта. Новий тип кубітів створено більш надійним і внутрішньо стабільним способом порівняно з попередніми версіями шляхом поєднання переваг двох інших типів кубітів.
                                                  
На відміну від світу звичайних комп’ютерів, де біти базуються на добре відомих і надійних технологіях, ідеального кубіта ще не винайдено. Чи буде квантовий комп’ютер майбутнього містити кубіти, які базуються на надпровідних трансмон-кубітах (transmission line shunted plasma oscillation qubit — кубіт на коливаннях плазми, шунтований лінією передачі), спінових кубітах у кремнії, NV-центрах у алмазі чи, можливо, якесь інше квантове явище? Кожен тип кубіта має свої переваги та недоліки. Один більш стабільний, другий має вищу точність, а інші легше масово виробляти. Ідеального кубіта ще не існує.

У цій роботі дослідники з QuTech — співпраці між Делфтським технологічним університетом і TNO (Netherlands Organization for Applied Scientific Research) — разом із міжнародними співробітниками створили розумну комбінацію існуючих методів для зберігання квантової інформації.

Марта Піта-Відаль (Marta Pita-Vidal), співавтор, пояснює: «Двома найбільш перспективними типами є спінові кубіти в напівпровідниках і трансмон-кубіти в надпровідних схемах. Проте кожен тип має свої проблеми.

Наприклад, спінові кубіти малі й сумісні з поточною промисловою технологією, але їм важко взаємодіяти на великих відстанях. З іншого боку, трансмон-кубіти можна контролювати та ефективно зчитувати на великих відстанях, але вони мають вбудоване обмеження швидкості для операцій і є відносно великими. Вчені в цьому дослідженні прагнуть використати переваги обох типів кубітів, розробивши гібридну архітектуру, яка їх поєднує».
 
«У нашому експерименті нам вдалося безпосередньо маніпулювати обертанням кубіта за допомогою мікрохвильового сигналу, — каже Арно Баргербос (Arno Bargerbos), інший співавтор. - Ми досягли дуже високих «частот Рабі», що є показником того, наскільки швидко вони можуть контролювати кубіт. Далі вони вбудували цей «кубіт зі спіном Андрєєва» в надпровідний трансмон-кубіт, що дозволяє швидко вимірювати стан кубіта».

Дослідники охарактеризували час когерентності спінового кубіта Андрєєва, міру того, як довго кубіт може залишатися живим. Вони помітили, що на його «довговічність» впливає магнітне поле навколишніх матеріалів.

«Нарешті, — зауважив Баргербос, — ми продемонстрували перший прямий сильний зв’язок між спіновим кубітом і надпровідним кубітом, що означає, що вони могли змусити два кубіти взаємодіяти контрольованим способом. Це свідчить про те, що спіновий кубіт Андрєєва може стати ключовим елементом для з’єднання квантових процесорів на основі радикально різних кубітних технологій: напівпровідникових спінових кубітів і надпровідних кубітів».

Головний дослідник Крістіан Андерсен (Christian Andersen) відмітив, що поточний спін-кубіт Андрєєва ще не ідеальний. Йому ще потрібно продемонструвати багатокубітні операції, які необхідні для універсальних квантових комп’ютерів. Час когерентності також неоптимальний. Це можна покращити, використовуючи інший матеріал. На щастя, масштабованість кубітів є на одному рівні з напівпровідниковими кубітами. Це дає надію, що є можливість дійти до точки, коли створення квантових алгоритмів стане обмежуючим фактором, а не квантове обладнання.