Нейронная сеть на чипе, обрабатывающая изображения в 1000 раз быстрее, чем традиционные средства, - такова цель 5,7-миллионного проекта DARPA, разрабатываемого в Мичиганском университете.

Еще одна цель проекта – с помощью мемристоров в качестве синапсов нейронной памяти, которые не тратят энергию в режиме холостого хода, создать нейронную сеть для обработки изображений, которая расходует в 10 тыс. раз меньше энергии, чем современные устройства.

Адаптивные нейронные сети узнают об особенностях изображений не на основе запоминания значений их пикселов, что обеспечивает их (изображений) более простое представление в памяти.

Чтобы определить такие особенности, нейроны размещаются на входах всех пикселов образа одновременно, затем обрабатывают их в слоях с различными синапсами между ними – подобно зрительной зоне коры головного мозга. Изучение изображения начинается с его ввода в первый слой, после чего сразу средние слои самоорганизуют внутреннее представление, и последний слой действует как массив одиночных детекторов особенностей изображения. С практической точки зрения, чем больше особенностей представлено нейронной сети во время обучения, тем сильнее будут становиться связи синапсов, которые определяют особенности.

     
Нейронный процессор для обработки изображений будет соединять искусственные нейроны с помощью кросса (слева внизу) мемристоров с мигрирующими кислородными вакансиями (справа вверху) в окисел вольфрама для адаптивного изменения силы связи синапсов

Чтобы протестировать несколько различные архитектуры, исследователи из Мичигана, возглавляемые проф. Вей Лу (Wei Lu), разработали два прототипа. В более простом для хранения значений своих синапсов применяются мемристоры, но используются обычные связи между слоями. Более сложная архитектура в большей степени имитирует мозг, используя мемристоры для обработки всплесков напряжения, возникающего между слоями.

«По существу, мы развиваем два подхода. В одном применяются локальные мемристоры для хранения весовых коэффициентов, которые вычисляются с использованием хорошо известных алгоритмов обучения, а основные вычисления выполняются в нейроне. Второй подход более сложен, поскольку в нем мемристоры используются для обучения прямо в своих синапсах. Это рискованный подход, потому что при нем необходим большой объем памяти и алгоритмы не столь известны, - объяснил проф. Лу. – Мы стимулируем сеть входными сигналами от изображении, так что сеть самонастраивается и уточняет весовые коэффициенты до тех пор, пока одиночный нейрон не начинает реагировать на специфическую особенность изображения. После этого мы можем данную сеть использовать для определения, если специфическая особенность присутствует в каком-либо изображении».

Вторая фаза проекта предусматривает разработку классификатора, который по комбинации определенных особенностей распознает объект, например, свой ли это F-15, или МиГ противника.

Массив мемристоров (в центре), действующих как запоминающие синапсы для обучения, использует окисел вольфрама с вакансиями, которые мигрируют, когда протекающий ток изменяет силу связей синапсов

Уже почти десять лет ученым известно, что грозы способны генерировать короткие, но мощные всплески гамма-лучей, называемые земные вспышки гамма-лучей (TGF). Эти вспышки столь ярки, что могут «ослепить» приборы, отстоящие на многие сотни километров. Поскольку они образуются почти на тех же высотах, на которых обычно летают коммерческие самолеты, ученые попытались определить, могут ли TGF представлять радиационную опасность для авиапассажиров.

Вплоть до недавнего времени ответу на этот вопрос препятствовало плохое понимание, как именно эти гамма-лучи генерируются во время грозы. Теперь ученые из Технологического института Флориды Джозеф Дуайер (Joseph Dwyer), Нинюй Лю (Ningyu Liu) и Хамид Расул (Hamid Rassoul) разработали перспективную физическую модель того, как генерируется высокоэнергетическое излучение в грозовых облаках.

Согласно их модели взамен образования обычной молнии гроза может иногда продуцировать экзотический тип электрического разряда, который содержит электроны с высокой энергией и их античастицы, позитроны. Взаимодействие электронов и позитронов вызывает взрывной рост количества частиц с высокой энергией, излучающих наблюдаемую земную вспышку гамма-лучей во время разряда грозового облака, происходящего иногда даже быстрее, чем традиционная молния. Несмотря на обильное испускание гамма-лучей во время этого процесса, генерируется очень малое количество видимого света, создавая тип электрического разряда внутри грозы, называемого «темной молнией».

Созданная модель темной молнии показывает, что она может объяснить множество наблюдаемых свойств TGF. Модель также позволяет вычислить дозы радиации, получаемой пассажирами внутри самолета, которому случилось оказаться в неудачном месте в неудачное время. На верхушке грозы для тех типов гамма-разрядов, которые можно наблюдать из пространства, дозы радиации эквивалентны 10 рентгеновским снимкам грудной клетки. Это такое же количество радиации, которое получает человек от естественного земного фона за год.

«Однако вблизи середины грозы радиационные дозы могут быть в 10 раз большими по сравнению с самыми большими дозами, получаемыми во время медицинских процедур, и приблизительно равны полному сканированию тела на компьютерном томографе, - сказал Дуайер. – Хотя пилоты самолетов делают все возможное, чтобы избежать грозового фронта, самолет может случайно оказаться внутри грозы, что подвергает пассажиров облучению. В редких случаях, согласно модели, может оказаться, что сотни людей одновременно получат довольно большую дозу излучения, не зная об этом».

Пока не известно, насколько часто это действительно случается. Дальнейшее изучение должно решить эту проблему.

Марсель Урбан (Marcel Urban) с коллегами из University of Paris-Sud, расположенного в Orsay, Франция, установил квантовый механизм, с помощью которого можно интерпретировать вакуум как сущность, заполненную парами виртуальных частиц с флуктуирующими значениями энергии. В результате присущие вакууму характеристики, такие как скорость света, могут оказаться не постоянными, а также флуктуирующими.

Тем временем, в другом исследовании Герд Лойхс (Gerd Leuchs) и Люис Л. Санчес-Сото (Luis L. Sánchez-Soto) из Института физики света Макса Планка в Эрлангене, Германия, предположили, что физические константы, такие как скорость света и так называемый импеданс свободного пространства, являются индикаторами полного количества элементарных частиц в Природе.

Вакуум является одной из наиболее интригующих концепций в физике. При наблюдении на квантовом уровне вакуум не является пустым. Он наполнен непрерывно появляющимися и исчезающими парами виртуальных частиц, таких как электрон-позитрон и кварк-антикварк.

В своем исследовании Урбан и его коллеги впервые установили детальный квантовый механизм, который мог бы объяснить намагниченность и поляризацию вакуума в терминах магнитной проницаемости и диэлектрической постоянной и конечность скорости света. Эти результаты весьма важны, поскольку они предполагают существование конечного числа виртуальных частиц на единицу объема.

В результате существует теоретическая возможность того, что скорость света не является фиксированной, как предполагает традиционная физика. Она может флуктуировать независимо от энергии каждого кванта света, или фотона, больше, чем вызывается гравитацией на квантовом уровне. Скорость света могла бы зависеть от вариаций свойств пространства или времени в вакууме. Флуктуации времени распространения фотона оцениваются порядка 50 аттосекунд на квадратный метр пересекаемого вакуума, что может быть обнаружено с помощью новых сверхбыстрых лазеров.

Лойхс и Санчес-Сото, с другой стороны, смоделировали пары заряженных виртуальных частиц как электрические диполи, ответственные за поляризацию вакуума. Они обнаружили, что специфическое свойство вакуума, называемое импедансом, которое является существенным для определения скорости света, зависит только от суммы квадратов электрических зарядов, но не от масс. Если их предположение справедливо, значение скорости света в комбинации со значением импеданса вакуума дает указание на полное число заряженных элементарных частиц, существующих в Природе. Результаты экспериментов поддерживают гипотезу.

Виртуальные частицы влияют на флуктуации скорости света

Английский физик лорд Рэлей широко известен тем, что совместно с Уильямом Рамсеем открыл газ аргон, за что был удостоен Нобелевской премии в 1904 г. Но имеется и не столь известное открытие лорда Рэлея, сделанное в 1878 г.

Почти 135 лет назад Рэлей написал, что два потока жидкости или капель не всегда сливаются в один, что несколько противоречит здравому смыслу. Этим явлением и заинтересовался Сунхвань Цзюн (Sunghwan Jung), ассистент профессора из Вирджинского технологического института.

Значение этого факта сегодня заключается в том, что если слияния между двумя потоками не происходит, это может оказать влияние на различные индустриальные или повседневные процессы, такие как эффективность подачи топлива, чернил в принтере и разработке распыляемых покрытий.

«В своей оригинальной статье Рэлей упомянул о двух вещах: отскакивании капель на жидкой ванне и отскакивании струй. При этом картинки не прилагались. Было проделано много исследований по первому явлению, но практически не было работ по второму, за исключением нескольких демонстраций в учебниках. Мы первые дали рациональное объяснение физическому механизму отскакивающих струй», - сказал Цзюн.

В своих экспериментах исследователи изучили отскакивание двух струй кремнийорганического масла при столкновении. Кремнийорганическое масло используется в большинстве экспериментов для того, чтобы избежать какого-либо загрязнения поверхности и часто является основой для гидравлики или смазки.

«Интуиция говорит нам, что две или более струй одной и той же жидкости, сталкивающиеся друг с другом, будут сливаться, образуя единую струю. Это является хорошо изученным явлением», - пояснил Цзюн.

Ключом к слиянию двух струй кремнийорганического масла в одну является скорость. Поскольку две струи жидкости увлекают за собой воздух, он действует как подушка, и струи будут отскакивать друг от друга. Но когда скорость потока становится выше определенного порога, воздух теряет стабильность, и струи будут сливаться в одну. Этот эффект нужно, в частности, учитывать при подаче топлива в ракетах и самолетах.

Рисунок показывает две струи жидкости, сливающиеся в одну (справа) когда скорость была увеличена всего на 20%

Поскольку количество функций наладонных устройств увеличивается, они требуют больше памяти, больших дисплеев, способности воспроизводить видеофайлы в высоком разрешении. Если пользователи мобильных устройств, включая смартфоны, планшеты и ноутбуки, хотят разделять или передавать файлы от одного устройства другому, необходимо обеспечить их длительное функционирование.

Как возможный метод для ускорения передачи больших объемов данных исследователи изучают возможности гигабитных беспроводных телекоммуникаций с использованием частоты 60 ГГц. Некоторые коммерческие подходы были реализованы для потокового видео в высоком разрешении с фиксированных источников на дисплеи с использованием полосы 60 ГГц. Но для мобильных устройств такие подходы не разрабатывались, поскольку радиочипы потребляют мощность в сотни милливатт.

Проф. Чул Сун Парк (Chul Soon Park) из электротехнического департамента Корейского института передовых исследований в науке и технологии (KAIST) с командой разработали версию радиочипа с низким потреблением энергии. Внутри чипа находится энергоэффективный модулятор, выполняющий усиление и модуляцию, а также приемник с улучшенной чувствительностью, использующий высокоэффективный демодулятор.

Команда исследователей сказала, что их радиочип потребляет не более 67 мВт в полосе 60 ГГц: 31 мВт для передачи и 36 мВт для приема больших объемов данных. Чип достаточно мал, чтобы быть встроенным в смартфоны или ноутбуки.

«Мы разработали радиочип с низким потреблением энергии и рабочими частотами в полосе 60 ГГц, который может передавать данные со скоростью 10,7 Гб/с, – сказал проф. Парк. – В тестах мы получили поток несжатого видео высокого разрешения от смартфона или ноутбука на дисплей без кабельного соединения. Наш чип может быть установлен на мобильных устройствах и даже в камерах, так что эти устройства могут связываться с другими для обмена большими объемами данных». 

 Новый взгляд на условия после столкновения с Землей в эпоху динозавров астероида размером с Манхеттен в районе Мексиканского залива указывает, что это событие могло запустить глобальную огненную бурю, которая могла уничтожить каждую веточку, кустик и дерево и привести к вымиранию 80% всех видов.

Команда, возглавляемая Дугласом Робертсоном (Douglas Robertson) из Объединенного института исследований окружающей среды (CIRES), использовала модели, которые показали, что столкновение испарило бы гигантское количество скальной породы, которая была затем унесена выше атмосферы Земли. Вход этой массы обратно в атмосферу раскалил бы ее верхние слои до примерно 1500 °С, до красного свечения в течение нескольких часов, убив все живое на поверхности Земли.

Команда разработала альтернативное объяснение для факта, что найдено небольшое количество древесного угля в меловом периоде, или 66 млн. лет назад, когда астероид столкнулся с Землей и должен был возникнуть уничтожающий все пожар. Исследователи обнаружили, что аналогичные изучения корректируют их данные по изменению скорости образования отложений. Когда данные относительно древесного угля были скорректированы с учетом этих изменений в скорости образования отложений, они показали избыток, а не нехватку угля.

«Наши данные показывают, что восстановленные условия находятся в соответствии с широким распространением огня по всей планете, - сказал Робертсон. – Эти условия привели к полному вымиранию 80% всего живого на Земле».
Геологические данные указывают на то, что около 66 млн. лет назад с Землей столкнулся астероид более 110 миль в диаметре и образовал кратер Chicxulub на полуострове Юкатан в Мексиканском заливе. В 2010 г. эксперты из 33 институтов по всему миру представили отчет, из которого следовало, что столкновение вызвало массовое вымирание животных в меловом периоде, включая динозавров.

Условия, приведшие к глобальному пожару, были сформированы испарением скальных пород, последовавшим за столкновением, которые затем образовали сферы размером с песчинки. По мере того как выброшенный за пределы атмосферы материал возвращался на Землю, он внес в верхние слои атмосферы достаточно тепла, чтобы вызвать инфракрасный «тепловой импульс» настолько горячий, что привел к красному свечению неба в течение нескольких часов, несмотря на то, что часть излучения поглощалась самим материалом.

Некоторые исследователи предполагают, что уровень сажи, найденный в граничном слое мелового периода, был создан непосредственно столкновением. Но Робертсон с коллегами вычислили, что количество сажи слишком велико, чтобы быть созданным в результате массивного столкновения, и соответствует ожидаемому от глобального пожара.

Исследовали добились успеха в создании магнитного солитона в небольшом объеме, теоретически предсказанного 35 лет назад. Такие солитоны могут быть существенными для создания компьютеров, основанных на спине.

Солитоны – это волны, локализованные в пространстве, которые при движении сохраняют свою форму и импульс. Они были впервые замечены в воде. Солитоны, сформированные светом, весьма полезны для высокоскоростной передачи данных на большие расстояния. Но капельные солитоны никогда не наблюдались в магнитной среде, хотя ученые верили, что они могут там существовать.

Математик из Университета Северной Каролины (NCSU) Марк Хоуфер (Mark Hoefer) создал математическую модель, показывающую, как может выглядеть такой солитон. Когда физик Йохан Акерман (Johan Åkerman) и аспирант Маджид Мохсени (Majid Mohseni) из шведского Королевского технологического института (КТН) и Гетеборгского университета получили экспериментальные данные, которые, как казалось, соответствовали модели Хоуфера, они решили попробовать и подтвердить существование магнитного солитона в магнитной капле.

Физики использовали наномасштабную проволоку, чтобы подвести слабый постоянный ток к магниту. В магнитах спины электронов имеют приблизительно одну ориентацию. Прикладывая постоянное напряжение к группе электронов, мы инжектируем энергию в магнитную систему, изменяя спин локальных электронов в ближайшей области. Вследствие этого спины электронов начинают прецессировать, образуя небольшую вращающуюся магнитную капельку, или солитон.

Ученые смогли определить присутствие солитона, измеряя частоту прецессии. Они наблюдали уникальную сигнатуру солитона – резко выраженное падение частоты, связанное с большим скачком выходной мощности.

«Эти солитоны называются диссипативными, потому что магниты стремятся рассеять энергию прецессии, - сказал Хоуфер. – Они управляют своей стабильностью с помощью балансирования количеством энергии, поступающей в систему с постоянным током, с количеством энергии, покидающей систему, и это балансирование выполняется нелинейно».

Вдобавок к демонстрации существования таких солитонов, исследователи также отметили и другие интересные их свойства, включаю колебательное движение и периодическую деформацию, которую они назвали «дыханием».

Симуляция дыхания капельного солитона, созданного спинами электронов, управляемыми перпендикулярным анизотропным магнитным полем. Периметр капли осциллирует с ½ частоты прецессии.

Построение квантовых сетей является одним из основных вызовов для современной физики. Теперь новое исследование показало, как с помощью твердотельных чипов можно сгенерировать высококачественный фотон, что приближает к созданию квантового «интернета».

Сегодня в качестве кандидатов на роль кубитов исследуются различные твердотельные системы, также как и многочисленные подходы к квантовому протоколу вычислений. Один из таких кубитов, квантовая точка, создается из полупроводниковых нанокристаллов, встроенных в чип и управляемых с помощью электрооптики.

Единичные фотоны будут составлять интегральную часть распределенных квантовых сетей в качестве «летающих» кубитов. Во-первых, они являются естественным выбором для квантовых коммуникаций, поскольку они быстро и надежно переносят данные на большие расстояния. Во-вторых, они могут принимать участие в квантовых логических операциях при условии, что все задействованные фотоны являются идентичными.

К сожалению, качество фотонов, генерируемых твердотельными кубитами , включая квантовые точки, может оказаться низким вследствие нарушающих когерентность механизмов внутри материала. При излучении разных фотонов разработка фотонной квантовой сети столкнется с серьезным препятствием.

Теперь исследователи из Кавендишской лаборатории Кембриджского университета реализовали с помощью твердотельных устройств инновационную технологию для генерирования единичных фотонов с необходимыми свойствами по качеству идентичных лазерным.

В качестве источника фотонов исследователи построили полупроводниковый диод Шоттки, устройство, содержащее индивидуально адресуемые квантовые точки. Для генерирования единичных фотонов с помощью резонансной флюоресценции были использованы переходы квантовых точек.

При слабом возбуждении, известном как режим Гайтлера, основной вклад в генерацию фотонов вносит упругое рассеяние. Вследствие этого нарушение когерентности фотонов можно, в целом, избежать.

«Наше исследование расширило инструментальные возможности формирования и генерирования когерентного фотона с помощью твердотельной квантовой фотоники, - сказал д-р Мете Ататюр (Mete Atature) из департамента физики. – Теперь мы можем генерировать с высокой частотой единичные фотоны, которые по качеству идентичны лазерным, что является значительным сдвигом в парадигме генерирования обычных единичных фотонов с помощью спонтанного распада».

Полученные результаты, в частности, предполагают, что множество дистанционно разнесенных кубитов в распределенной квантовой сети могут участвовать в когерентном и программируемом обмене, на который не влияют нежелательные свойства чипов. Следовательно, способность создавать квантовое зацепление и осуществлять квантовую телепортацию между удаленными кубитами на базе квантовых точек с очень высокой точностью является теперь только делом времени.

Художественное изображение распределенных кубитов (яркие точки), связанных друг с другом с помощью фотонов (лучи света). Цвет лучей показывает, что частоту фотонов в каждом канале можно задавать, исходя из требований сети

Новые предварительные данные, представленные на конференции по физике элементарных частиц Moriond-2013, проливают дополнительный свет на частицу, открытую в прошлом году. Проанализировав в 2,5 раза больше данных, чем имелось в июле 2012 г., ученые находят, что новая частица все больше и больше походит на бозон Хиггса.

Однако остается открытым вопрос, является частица бозоном Хиггса в рамках Стандартной модели, или это легчайшая из нескольких бозонов, предсказываемых некоторыми другими теориями, выходящими за Стандартную модель. Ответ на этот вопрос займет некоторое время.

Является или нет новая частица бозоном Хиггса, демонстрируется тем, как она взаимодействует с другими частицами и ее квантовыми числами. Например, постулируется, что хиггсовский бозон должен иметь нулевой спин и положительную четность в рамках Стандартной модели. Эксперименты на CMS и ATLAS не противоречат этим свойствам. Это, вместе с измерениями взаимодействия новой частицы с другими частицами, строго указывает, что обнаружен бозон Хиггса.

«Предварительные результаты на полном наборе данных, полученных в 2012 г., очень впечатляют, и, по моему мнению, мы имеем дело с бозоном Хиггса, хотя еще предстоит пройти долгий путь, чтобы узнать, какого рода этот бозон», - сказал CMS-спикер Джой Инкандела (Joe Incandela).

«Новые результаты достигнуты усилиями огромного коллектива специалистов. Они показали, что новая частица имеет значения спина и четности такие же, как и бозон Хиггса в Стандартной модели», - сказал представитель ATLAS.

Для определения, является ли открытая частица хиггсовским бозоном из Стандартной модели, ученые должны, например, точно измерить скорость его распада на другие частицы и сравнить результаты с предсказаниями теории. В то же время, обнаружение бозона является очень редким явлением: для каждого события требуется около 10 ¹² протон-протонных столкновений. Чтобы определить все способы распада, потребуется намного больше данных.

Исследователи из США и Соединенного Королевства наблюдали «атомный коллапс» в графене – новый тип поведения электронов, предсказанный почти 70 лет назад в рамках релятивистской квантовой электродинамики, но никогда прежде не наблюдаемый экспериментально.

Это «экзотическое» явление поможет ученым понять, как дефекты и примеси ведут себя в графене, что может оказаться важным при разработке будущих наномасштабных устройств.

В «нормальном» атоме электроны занимают так называемые стационарные боровские орбитали. Однако много лет назад было предсказано, что если заряд атомного ядра увеличить до очень большой величины, то электроны начнут приближаться к ядру по спирали, а затем снова удаляться. У таких электронов есть вероятность покинуть атом и стать свободными. Это явление и называется «атомным коллапсом».

Состояние атомного коллапса важно по нескольким причинам. Прежде всего, оно было предсказано теорией, так что его экспериментальное подтверждение поможет лучше ее понять. Далее, атомный коллапс говорит нам, что случится, если будет создан атом с очень большим зарядом ядра. Наконец, состояние коллапса обеспечит точную информацию о том, как электроны в графене будут вести себя на очень малых масштабах длины (около 10 нм) вблизи высококонцентрированного электростатического заряда. Эта информация является крайне важной для изготовления наноустройств, в которых заряженные примеси и/или близко расположенные электроды вентилей используются для управления поведением электронов.

Команда, возглавляемая Майком Кромми (Mike Crommie) из Калифорнийского университета (Беркли), смогла наблюдать на сканирующем туннельном микроскопе атомный коллапс в графене с помощью искусственно созданного суперкритического ядра. Исследователи создали его посредством напрыскивания атомов кальция на поверхность графенового полевого транзистора и затем слегка подогревая устройство, чтобы атомы кальция на поверхности образовывали пары, или димеры, которыми легче по сравнению с мономерами манипулировать с помощью зонда микроскопа. Затем они собрали димеры в небольшие кластеры, которые вели себя подобно искусственным ядрам.

«Каждый заряд димера кальция в таком кластере играет ту же роль, что и протон в обычных атомных ядрах, - объяснил д-р Кромми. - С помощью СТМ нам удалось прямо отобразить поведение электронов в окрестности ядер, так как мы последовательно увеличивали заряд ядра вплоть до суперкритического предела (где еще не происходил атомный коллапс) и выше предела (где атомный коллапс имел место). Сигнатурой атомного коллапса в наших экспериментах является специальное состояние электрона, которое мы видим как специфическую энергию, называемую точкой Дирака. Состояние атомного коллапса имеет пространственные и энергетические характеристики, которые предсказаны релятивистской квантовой электродинамикой, и наши экспериментальные наблюдения хорошо совпадают с этими предсказаниями».

Данная работа важна для производства будущих графеновых устройств, которые имеют масштабы порядка 10 нм, где особенности атомного коллапса становятся весьма существенными. В таких устройствах единичный дефект или заряженная примесь могут оказать огромное влияние на поведение устройства, и эти дефекты и примеси могут специально вноситься на определенные места для получения нужного эффекта.

Д-р Майк Кромми в лаборатории