`

СПЕЦИАЛЬНЫЕ
ПАРТНЕРЫ
ПРОЕКТА

Архив номеров

Как изменилось финансирование ИТ-направления в вашей организации?

Best CIO

Определение наиболее профессиональных ИТ-управленцев, лидеров и экспертов в своих отраслях

Человек года

Кто внес наибольший вклад в развитие украинского ИТ-рынка.

Продукт года

Награды «Продукт года» еженедельника «Компьютерное обозрение» за наиболее выдающиеся ИТ-товары

 

Разработан дизайн чипа для кремниевого квантового компьютера

Исследователи из Голландии и Австралии разработали архитектуру микросхемы, которая позволяет выполнять квантовые вычисления с использованием существующих полупроводниковых процессов.

Существует по меньшей мере пять основных подходов к квантовым вычислениям, изучаемых во всем мире: кремниевые спиновые квантовые биты (кубиты), ионные ловушки, сверхпроводящие петли, алмазные вакансии и топологические кубиты. В новом подходе используются кремниевые спиновые кубиты со специальной схемой коррекции ошибок, позволяющей масштабировать архитектуру до миллионов кубитов, которая может быть построена по стандартной технологии КМОП.

«Сегодняшние компьютерные чипы не могут использовать квантовые эффекты, необходимые для решения действительно важных проблем, которые могут решить квантовые компьютеры. Чтобы решить проблемы, которые создают основные глобальные вызовы, такие как изменение климата или сложные болезни, общепризнано, что нам понадобятся миллионы квантовых бит или кубитов, работающих совместно. Для этого нам нужно будет объединять кубиты вместе и интегрировать их, как и в современных микропроцессорных микросхемах. Такова цель этого нового проекта», - сказал д-р Менно Фельдхорст (Menno Veldhorst), лидер группы по квантовой технологии в QuTech - сотрудничестве между Технологическим университетом Делфта и TNO, Нидерландской организацией прикладных научных исследований.

«Наша конструкция включает в себя обычные кремниевые транзисторные переключатели для "включения" операций между кубитами в огромном двумерном массиве с использованием протокола выбора "слово" и "бит" на основе сетки, аналогичного используемому для выбора бит в обычном чипе компьютерной памяти, - сказал он. - Выбирая электроды над кубитом, мы можем управлять спином кубита, который хранит квантовый двоичный код 0 или 1. Выбирая электроды между кубитами, можно выполнить двухкубитные логические взаимодействия, или вычисления, между кубитами».

Для такой конструкции нужны коды с исправлением ошибок, которые используют несколько кубитов для хранения одного фрагмента данных.

«Наш проект включает новый тип кода для исправления ошибок, разработанный специально для спиновых кубитов, и включает в себя сложный протокол операций на миллионах кубитов. Это первая попытка интегрировать в один чип все обычные кремниевые схемы, необходимые для управления и чтения миллионов кубитов, требующихся для квантовых вычислений», - сказал Эндрю Дзурак (Andrew Dzurak), директор Австралийского национального производственного фонда в Университете Нового Южного Уэльса (UNSW) и руководитель программы в Центре передового опыта Австралии по квантовым вычислениям и коммуникационным технологиям (CQC2T).

«Мы ожидаем, что для этого проекта все еще потребуются изменения по мере того как мы будем двигаться к производству, но все ключевые компоненты, которые необходимы для квантовых вычислений, находятся здесь в одном чипе. И это то, что будет необходимо, если мы хотим сделать квантовые компьютеры рабочей лошадкой для расчетов, которые намного превосходят сегодняшние компьютеры», - добавил он. – Проект показывает, как интегрировать миллионы кубитов, необходимых для реализации всех обещаний квантовых вычислений».

Разработан дизайн чипа для кремниевого квантового компьютера

Создан основной элемент для квантового компьютера

Ученые из Университета Констанца, Принстонского университета и Университета Мэриленда разрабатывают стабильные квантовые вентили для двухкубитовых систем из кремния. Квантовый вентиль способен выполнять все необходимые основные операции квантового компьютера. Спин отдельных электронов в кремнии используется в качестве основной единицы хранения.

Пройдет довольно много лет, пока первые квантовые компьютеры будут доступны в универмагах. Даже сегодня, однако, стало очевидно, что квантовый компьютер станет большим скачком в компьютерных технологиях. Однако квантовый компьютер реагирует гораздо более чутко на внешние возмущения, чем обычный. Следовательно, главной целью является создание стабильных «квантовых вентилей» - основного «строительного блока» квантового компьютера. Ученым из Университета Констанца, Принстонского университета и Университета Мэриленда удалось создать стабильные квантовые вентили для двухкубитовых систем. Их квантовые вентили используют отдельные электроны в кремнии для хранения информации, и они могут точно контролировать и считывать взаимодействие двух кубитов. Таким образом, эксперимент включает в себя все необходимые основные операции квантового компьютера.

Исследователи из Констанца, Принстона и Мэриленда используют в качестве основы квантовых битов электронный спин отдельного электрона в кремнии. Направление спина электрона соответствует значению 0 и 1 цифрового бита, но в квантовом состоянии электрон способен хранить больше информации, чем просто 0 и 1.

Поэтому первым достижением исследователей было извлечение одного электрона из миллиардов атомов кремния. «Это было выдающееся достижение наших коллег из Принстона», - говорит проф. Гвидо Буркард (Guido Burkard), который координировал теоретические исследования в Констанце. Исследователи использовали сочетание электромагнитного притяжения и отталкивания для отделения одного электрона от электронного сгустка. Затем отделенные электроны выстраивались точно в линию, и каждая из них помещалась в своего рода «пустоту», где они удерживались в плавающем состоянии.

Следующей задачей было разработать систему управления спином отдельных электронов. Физики из Констанца Гвидо Буркард и Максимилиан Русс (Maximilian Russ) разработали следующий метод: к каждому электрону прикладывается наноэлектрод. Используя градиент магнитного поля, физики могут создавать зависящее от позиции наноэлектрода магнитное поле, с которым могут взаимодействовать отдельные электроны, что позволяет исследователям управлять спином электронов. Таким образом они создали стабильные однокубитовые системы для хранения и считывания информации в виде электронных спинов.

Однако одного кубита недостаточно для создания базовой системы коммутации в квантовом компьютере. Для этого требуются два кубита. Ключевым шагом, предпринятым исследователями Констанца для создания двухкубитовой системы, было объединение состояний двух электронов. Такая связь позволяет строить базовые системы коммутации, с помощью которых могут выполняться все основные операции квантового компьютера..

Это означало, что исследователи из Констанца должны были создать стабильную систему для связи спинов двух отдельных электронов. «Это была самая важная и трудная часть нашей работы», - говорит Гвидо Буркард, который разработал и спланировал этот метод вместе с Максимилианом Руссом. Они разработали систему коммутации, которая координирует спины двух электронов в зависимости друг от друга. Дополнительный наноэлектрод помещается между двумя «пустотами», в которых плавают электроны кремния. Этот электрод управляет связью между двумя электронными спинами. С помощью этого метода физики реализовали стабильный и функциональный базовый процессорный блок квантового компьютера. Точность воспроизведения для одиночных кубитов выше 99 % и около 80 % для двух взаимодействующих кубитов - значительно более стабильные и более точные, чем в предыдущих попытках.

Основным материалом квантового вентиля является кремний. «Очень магнитно-тихий материал с небольшим количеством собственных ядерных спинов», - такими словами обобщил преимущества кремния Гвидо Буркард. Важно, чтобы в атомных ядрах выбранного материала не было слишком много спинов, которые могли бы помешать кубитам. Кремний обладает чрезвычайно низкой спиновой активностью своих атомных ядер и поэтому является особенно подходящим материалом. Еще одно преимущество: кремний является стандартным материалом полупроводниковой технологии и, соответственно, хорошо исследован. Поэтому ученые могут извлечь выгоду из многолетнего опыта работы с материалом.

Создан основной элемент для квантового компьютера

Квантовые вентили двух кремниевых электронов. Два наноэлектрода (VL и VR) управляют спином обоих электронов. Третий наноэлектрод (ВМ) координирует взаимодействие обоих электронов

Долговременное хранение фотонного кубита для глобальной телепортации

Ученые из Института квантовой оптики им. Макса Планка (MPQ) добились длительного времени хранения фотонных квантовых бит, которое преодолевают нижнюю границу для прямой телепортации в глобальной квантовой сети.

В области разработки квантовой памяти для реализации глобальных квантовых сетей ученые Отдела квантовой динамики под руководством профессора Герхарда Ремпе (Gerhard Rempe) в MPQ добились значительного прорыва: они продемонстрировали хранилище с долгоживущим фотонным кубитом на одиночном атоме, захваченном в оптическом резонаторе. Время когерентности хранимого квантового бита превышает 100 миллисекунд и поэтому соответствует требованию создания глобальной квантовой сети, в которой кубиты непосредственно телепортируются между конечными узлами. «Достигнутые нами времена когерентности представляют собой улучшение на два порядка по сравнению с текущим состоянием дел», - сказал профессор Ремпе.

Свет - идеальный носитель для квантовой информации, закодированной на одиночных фотонах, но передача на большие расстояния неэффективна и ненадежна из-за потерь. Для предотвращения потери драгоценных квантовых бит между конечными узлами сети может быть использована прямая телепортация. Во-первых, между узлами нужно создать удаленное запутывание; затем подходящее измерение на стороне отправителя вызывает «жуткий эффект на расстоянии», то есть мгновенный перенос состояния кубита на узел приемника. Однако квантовый бит может вращаться, когда он достигает приемника и, следовательно, должен быть возвращен в прежнее состояние. С этой целью необходимую информацию нужно классически передать от отправителя к получателю. Это занимает определенное количество времени, в течение которого кубит должен быть сохранен в приемнике. Для двух сетевых узлов на наибольшем расстоянии на Земле это соответствует временному интервалу в 66 миллисекунд.

В 2011 году группа профессора Ремпе продемонстрировала успешную технику хранения фотонного квантового бита на одном атоме. Атом находится в центре оптической полости, которая образована двумя зеркалами высокой чистоты, и удерживается на месте стоячей световой волной. Один фотон, несущий квантовый бит в когерентной суперпозиции двух поляризационных состояний, начинает сильно взаимодействовать с одним атомом, когда он попадает в резонатор. В конечном счете фотон поглощается атомом, а квантовый бит переносится в когерентную суперпозицию двух атомных состояний. Задача состоит в том, чтобы поддерживать атомную суперпозицию как можно дольше. В предыдущих экспериментах время хранения ограничивалось несколькими сотнями микросекунд.

«Основной проблемой для хранения квантовых бит является феномен расфазировки», - объясняет аспирант Стефан Лангенфельд (Stefan Langenfeld). - Характеристика квантового бита является относительной фазой волновых функций состояний атомов, когерентно наложенных. К сожалению, в реальных экспериментах это фазовое отношение теряется с течением времени в основном из-за взаимодействия с флуктуирующими магнитными полями».

В своем текущем эксперименте ученые приняли новые меры для противодействия влиянию этих колебаний. Как только информация передается от фотона к атому, совокупность одного атомного состояния когерентно переносится в другое состояние. Это делается с помощью пары лазерных лучей для индуцирования комбинационного перехода Рамана. В этой новой конфигурации сохраненный кубит в 500 раз менее чувствителен к флуктуациям магнитного поля.

До извлечения сохраненного фотонного квантового бита переход Рамана обращается. При времени хранения 10 миллисекунд перекрытие сохраненного фотона с извлеченным фотоном составляет около 90%. Это означает, что простой переход атомного кубита в менее чувствительную конфигурацию состояния увеличивает время когерентности в 10 раз. Другой фактор 10 был получен путем добавления так называемого «спинового эха» к экспериментальной последовательности. Здесь совокупность двух атомных состояний, используемых для хранения, обменивается в середине времени хранения. «Хотя предполагаемая глобальная квантовая сеть, которая обеспечивает безопасный и надежный перенос квантовой информации, по-прежнему требует большого объема исследований, долговременное хранение квантовых бит является одной из ключевых технологий, и мы считаем, что нынешние улучшения значительно приблизят ее реализацию» - отметил аспирант Маттиас Кёрбер (Matthias Körber).

Долговременное хранение фотонного кубита для глобальной телепортации

Художественное изображение глобальной телепортации квантовых бит

Физики взволнованы открытием новой формы вещества - экситония

Профессор физики Питер Аббамонте (Peter Abbamonte) и аспиранты Аншул Когар (Anshul Kogar) и Минди Рак (Mindy Rak) при участии коллег из Иллинойса, Калифорнийского университета, Беркли и Амстердамского университета доказали существование загадочной новой формы материи, которая смутила ученых, поскольку она была впервые предсказана почти 50 лет назад.

Команда изучила нелегированные кристаллы часто анализируемого диселенида дихалкогенида титана (1T-TiSe2) и воспроизвела неожиданные результаты пять раз на разных сколотых кристаллах. Профессор физики Яспер ван Вецель (Jasper van Wezel) из Амстердамского университета предоставил критически важную теоретическую интерпретацию экспериментальных результатов.

Экситоний представляет собой конденсат – он проявляет макроскопические квантовые явления подобно сверхпроводнику, сверхтекучей среде или изолирующему электронному кристаллу. Он состоит из экситонов, квазичастиц, которые образуются в очень странном квантовомеханическом объединении, а именно, освобожденного электрона и оставшейся после него дырки.

Это бросает вызов разуму, но оказывается, что когда электрон, локализованный на краю валентной зоны с заполненными электронами в полупроводнике, возбуждается и перескакивает через энергетическую щель в зону проводимости, он оставляет за собой "дырку" в валентной зоне. Эта дырка ведет себя так, как если бы это была частица с положительным зарядом, и она притягивает освобожденный электрон. Когда электрон из зоны проводимости с его отрицательным зарядом соединяется с дыркой, они образуют составную частицу, бозон, называемый экситоном. Фактически, частицеподобные атрибуты дырки относятся к коллективному поведению окружающих электронов. Но это понимание делает пару не менее странной.

До сих пор у ученых не было экспериментальных приборов, чтобы определенно отличить, действительно ли то, что выглядело, как экситоний, не было фазой Пайерлса. Хотя она полностью не связана с образованием экситонов, фазы Пайерлса и экситонная конденсация имеют одинаковую симметрию и аналогичные наблюдаемые - сверхрешетку и открытие одночастичной энергетической щели.

Проф. Аббамонте и его команда смогли преодолеть этот вызов, используя новую технику, которую они разработали, – спектроскопию характеристических потерь энергии электронами с разрешенным импульсом (momentum-resolved electron energy-loss spectroscopy, M-EELS). M-EELS более чувствительна к возбуждениям валентной зоны, чем методы неупругого рентгеновского или нейтронного рассеяния. Когар скомбинировал спектрометр EEL, который сам по себе мог измерять только траекторию электрона, давая энергию и импульс, которые он потерял, с гониометром, который позволяет команде точно измерять импульс электрона в реальном пространстве.

Благодаря своей новой методике группа впервые смогла измерить коллективные возбуждения низкоэнергетических бозонных частиц, парных электронов и дырок, независимо от их импульса. Более конкретно, команда достигла впервые наблюдаемой в каком-либо материале предшественника экситонной конденсации мягкой плазмонной фазы, которая возникла, когда материал приблизился к его критической температуре 190 Кельвина. Эта мягкая плазмонная фаза является «дымящимся пистолетом», свидетельствующим о конденсации экситонов в трехмерном твердом теле и первом в истории окончательном доказательстве открытия экситония.

«Этот результат имеет космическое значение, – утверждает проф. Аббамонте. - С тех пор, как термин "экситоний" был изобретен в 1960-х годах физиком-теоретиком Бертом Гальпериным (Bert Halperin) из Гарварда, физики пытались продемонстрировать его существование. Теоретики обсудили, будет ли он изолятором, идеальным проводником или сверхтекучим, – с некоторыми убедительными аргументами со всех сторон. С 1970-х годов многие экспериментаторы опубликовали доказательства существования экситония, но их результаты не были окончательным доказательством и в равной степени объяснялись традиционным структурным фазовым переходом».

Когар признает, что обнаружение экситония не было оригинальной мотивацией для исследования – команда намеревалась проверить свой новый метод M-EELS на кристалле, который был легко доступен, – он выращивался в Иллинойсе бывшим аспирантом Юном Ил Джо (Young Il Joe), ныне в NIST. Но он подчеркивает, что не случайно экситоний был главным интересом.

«Это открытие было впечатляющим, но Питер и я разговаривали 5 или 6 лет назад, рассматривая именно эту тему мягкого электронного режима, хотя в другом контексте - кристаллической нестабильности Вигнера. Поэтому, хотя мы не сразу разобрались, почему это происходило в TiSe2, мы знали, что это был важный результат – тот, который зарождался в наших умах в течение нескольких лет».

Это фундаментальное исследование имеет большие перспективы для раскрытия дальнейших квантовомеханических тайн: ведь изучение макроскопических квантовых явлений – это то, что сформировало наше понимание квантовой механики. Оно также могло бы пролить свет на переход металл-диэлектрик в зонах твердых тел, в котором, как полагают, участвует экситонная конденсация. Однако пока возможные технологические применения экситония являются чисто умозрительными.

Физики взволнованы открытием новой формы вещества - экситония

Художественное представление экситонов в твердом теле. Эти возбуждения можно рассматривать как распространяющиеся доменные стенки (желтые) в противоположность от упорядоченного твердого фона экситонов (синий).

Intel и Think Pad возвращают голос Стивену Хокингу

В середине 1980-х всемирно известный астрофизик Стивен Хокинг, страдающий латеральным амиотрофическим склерозом, – болезнью, поражающей двигательные нейроны, вследствие пневмонии, перенесенной после его поездки в ЦЕРН в Женеве, потерял голос.

Он встретился с Гордоном Муром, сооснователем Intel, на конференции в 1997 г. Мур заметил, что компьютер, который Хокинг использовал для связи, имел процессор AMD, и спросил его, не предпочтет ли тот «настоящий компьютер» с процессором Intel. С тех пор компания оказывает техническую поддержку и заменяет Хокингу компьютер каждые два года.

После потери голоса Хокинг для коммуникаций использовал орфографические карточки, терпеливо указывая буквы и формируя слова с помощью движения бровями. Мартин Кинг, физик, который работал с Хокингом над новой системой связи, обратился к калифорнийской компании Words Plus, чья компьютерная программа Equalizer позволяла выбирать слова нажатием пальцем на клавишу мыши.

Equalizer сначала работала на Apple II, связанным с синтезатором речи, сделанного компанией Speech Plus. Давид Мейсон, инженер и муж одной из медсестер Хокинга, сделал эту систему портативной, так что она могла монтироваться на подлокотники кресла-каталки. С этой новой системой Хокинг мог общаться со скоростью 15 слов в минуту.

Однако нервы, которые позволяли ему двигать пальцем, быстро деградировали, и он больше не мог пользоваться клавишей. Его ассистент к тому времени разработал переключающее устройство, называемое «щечный переключатель». Прикрепленный к очкам Хокинга, он мог определять с помощью ИК-лучей, когда Хокинг напрягает мускулы своей щеки. С тех пор Хокинг мог пользоваться электронной почтой, Интернетом, писать книги и говорить, используя только один этот мускул. Тем не менее, его способность к коммуникациям падала. К 2011 г. он мог формировать только одно или два слова в минуту. Он написал об этом Муру. Тот сформировал команду, возглавляемую Джастином Раттнером, CTO, которая взялась решить проблему.

К тому времени компьютерным интерфейсом Хокинга была программа EZ Keys, улучшенная версия используемой ранее программы. Она предоставляла виртуальную клавиатуру на мониторе и базовый алгоритм предсказывания слов. Курсор автоматически сканировал по клавиатуре по строкам или по столбцам, и Хокинг мог выбирать символы с помощью движения щеки. EZ Keys позволяла ему управлять мышью в Windows и запускать приложения. Он использовал Firefox для Интернета и Notepad для подготовки лекций.

Однако эта система устаревала, и решить проблему создания новой взялась Лама Нахман, глава компьютерной лаборатории Intel в Кремниевой долине. Они хотели использовать распознавание мимики лица, слежение за глазами и интерфейс мозг-компьютер. Однако последний плохо работал в случае Хокинга из-за большого уровня шума.

Прошло много месяцев, прежде чем Intel в конце концов разработала версию пользовательского интерфейса, которая понравилась Хокингу. Его назвали Assistive Contextually Aware Toolkit, ACAT). Он включал контекстные меню, которые предоставляли Хокингу различные ярлыки для речи, поиска в Интернете, электронной почты, новую управляющую программу для подготовки лекций и ряд других функций.

Аппаратным обеспечением Хокинга с 2001 г. занимался инженер Трэвис Бонифилд. Он приспособил к его специфическим потребностям конвертируемый планшет Lenovo ThinkPad X220t. Тот с легкостью крепился к инвалидному креслу, обеспечивал высокую скорость работы и был оснащен дисплеем, читать с которого удобно даже при интенсивном дневном свете. Сегодня ученый пользуется устройством ThinkPad Yoga 260, который выбрал сам в 2016 году – ноутбук стал надежным помощником.

Сейчас команда Ламы Нахман разрабатывает новую цифровую систему, которая могла бы более чутко улавливать движения Хокинга и точнее их распознавать.

Intel и Think Pad возвращают голос Стивену Хокингу

Новый материал может снизить энергопотребление компьютеров

Разработан нанопористый материал на основе медного и никелевого сплавов со структурой, подобной структуре губки с порами размером миллионной доли миллиметра, что позволяет обрабатывать и хранить информацию, используя очень мало энергии. Эти наногубки могут стать основой новой магнитной памятью для компьютеров и мобильных телефонов с большей энергоэффективностью, чем та, которая в настоящее время существует.

Чтобы хранить информацию в обычных магнитных ячейках электронных устройств, малые магнитные домены материалов используют направление напряженности магнитного поля. Для генерации этих полей необходимо прикладывать электрические токи, но эти токи нагревают материалы, и большое количество энергии тратится на их охлаждение. Практически 40% электрической энергии, поступающей в компьютеры (или серверы «больших данных»), рассеивается как тепло.

В 2007 г. французские ученые заметили, что когда магнитные материалы укладываются в сверхтонкие слои и прикладывается напряжение, количество тока и энергии, необходимое для намагничивания доменов, уменьшалось на 4%. Однако это небольшое уменьшение было недостаточно значительным для применения к устройствам.

Исследовательская группа, руководимая Хорди Сортом (Jordi Sort), исследователем из ICREA и преподавателем факультета физики Университета Autònoma de Barcelona в сотрудничестве с Каталонским институтом нанонауки и нанотехнологий (ICN2), провела поиск решения, основанного на магнитных свойствах нового нанопористого материала с увеличенной поверхностью. Новый материал состоит из нанопористых пленок сплавов меди и никеля, организованных таким образом, что внутри образуются поверхности и отверстия, похожие на внутреннюю структуру губки, но с разделением между порами всего 5 или 10 нанометров. Другими словами, стенки пор содержат достаточно места для всего лишь нескольких десятков атомов.

«Многие исследователи применяют нанопористые материалы для улучшения физико-химических процессов, таких как разработка новых сенсоров, но мы нашли, что эти материалы могут быть использованы для электромагнетизма, - объясняет Хорди Сорт. - Нанопоры, обнаруженные внутри таких материалов, обладают большой поверхностью. Благодаря этой обширной поверхности, сконцентрированной в очень маленьком пространстве, мы можем применять напряжение от батареи и чрезвычайно уменьшать энергию, необходимую для ориентации магнитных доменов и записи данных. Это представляет собой новую парадигму в энергосбережении компьютеров, а также в области вычислений и обработки магнитных данных в целом», - говорит Хорди Сорт.

Специалисты UAB построили первые прототипы нанопористой магнитной памяти на основе медных и никелевых сплавов (CuNi) и достигли весьма удовлетворительных результатов с уменьшением на 35% в магнитной коэрцитивности, величиной, связанной с потреблением энергии, необходимой для переориентации магнитных доменов и записи данных.

В этих первых прототипах исследователи прикладывали напряжение, используя жидкие электролиты, но теперь работают над твердыми материалами, которые могут помочь реализовать устройства на рынке. Согласно Хорди Сорту, «использование этого материала для памяти компьютеров и мобильных устройств может предложить множество преимуществ, в основном в области прямого энергосбережения для компьютеров и значительного увеличения автономности мобильных устройств».

Разработка новых наноэлектронных устройств с улучшенной энергоэффективностью является одной из стратегических линий, включенных в программу Horizon 2020 Европейского Союза. По некоторым оценкам, если электрический ток полностью заменяется напряжением в системах обработки данных, затраты на энергию могут быть уменьшены в 500 раз.

Новый материал может снизить энергопотребление компьютеров

Металлическая наногубка под микроскопом

Память, поддерживаемая вакансиями кислорода

Новый вид энергонезависимой памяти сохраняет информацию, изменяя электрическое сопротивление структуры металл-диэлектрик-металл.

Энергонезависимая память, сохраняющая свою цифровую информацию без питания и работающую одновременно со сверхвысокой скоростью сегодняшней динамической памяти произвольного доступа (DRAM), - это мечта исследователей материалов из Технического университета Дармштадта.

Ученые выяснили, почему устройства на основе оксида гафния настолько перспективны для приложений памяти, и как материал может быть настроен для работы на желаемом уровне производительности. Эти знания могут стать основой для массового применения в будущем на всех электронных устройствах.

Этот новый вид энергонезависимой памяти сохраняет информацию, изменяя электрическое сопротивление структуры металл-диэлектрик-металл. Высокие и соответственно низкие резистивные состояния представляют нуль и единицу, и не исчезают, даже когда компьютер выключен. Основной принцип этой резистивной памяти произвольного доступа (RRAM) известен уже несколько лет, но исследователи и разработчики по-прежнему борются за то, чтобы привести его в реальные приложения.

Память на основе оксида гафния особенно интересна благодаря своим превосходным свойствам. Однако устройства до сих пор не могут быть изготовлены с низкой вариабельностью и низким разбросом электронных свойств, необходимых для крупномасштабного производства. Кроме того, поведение переключения является сложным и до сих пор не полностью понято.

Исследователи ТУ Дармштадта следуют рецепту, который был чрезвычайно успешным в технологии полупроводниковых приборов: они сосредоточились на дефектах материала. «До сих пор не совсем ясно, какие физические и химические свойства влияют на резистивный процесс переключения», - говорит проф. Ламберт Альфф (Lambert Alff), руководитель группы Advanced Thin Film Technology в отделе материаловедения ТУ Дармштадта. Его команда сосредоточила свои исследования на роли дефектов кислорода в функциональном материале.

Используя молекулярно-лучевую эпитаксию, хорошо известную технику из полупроводниковой технологии, группа смогла создать структуры RRAM, где только концентрация кислорода изменялась, а все остальное устройство оставалось неизменным. «Изменяя концентрацию кислородного дефекта в оксиде гафния, мы могли бы однозначно соотносить состояние материала с резистивным режимом переключения устройства памяти», - объясняет Шанкарамангалам Ульхас Шарат (Sankaramangalam Ulhas Sharath), аспирант в группе и первый автор публикации. На основе этих результатов исследователи разработали единую модель, связывающую все до сих пор сообщаемые состояния переключения с поведением кислородных вакансий. Другим интересным следствием их работы является открытие того, что квантованные состояния проводимости могут стабилизироваться при комнатной температуре при контроле кислородных вакансий, прокладывающее путь для новой квантовой технологии.

Улучшенное понимание роли вакансий кислорода может быть ключом к получению ячеек RRAM с воспроизводимыми свойствами в более широком масштабе. Из-за присущих физических ограничений ожидается, что в течение ближайших нескольких лет существующая господствующая технология флэш-памяти будет заменена другой энергонезависимой памятью. Это может быть RRAM, которая будет удовлетворять постоянно растущий голод для более энергоэффективной и распространенной памяти в автомобилях, мобильных телефонах, холодильниках и т. д. Она даже может быть особенно подходящей для нейроморфных схем, имитирующих функциональные возможности человеческого мозга.

Исследование в ТУ Дармштадта является частью европейского проекта PANACHE, направленного на разработку энергонезависимой памяти. 20 партнеров из промышленности, научно-исследовательских институтов и университетов работают вместе, финансируемые ЕС и национальными агентствами, такими как Министерство образования и исследований Германии (BMBF).

Память, поддерживаемая вакансиями кислорода

Проф. Ламберт Альфф (слева) И Санкарамангалам Ульхас Шарат

Первая демонстрация космической квантовой связи с использованием микроспутника

Национальный институт информационно-коммуникационных технологий (NICT) разработал самый маленький и самый легкий в мире передатчик квантовой связи (SOTA) и встроил его на борт микроспутника SOCRATES. Ученым удалось продемонстрировать первый эксперимент по квантовой связи из космоса, получив информацию от спутника в однофотонном режиме на оптической наземной станции в городе Коганеи. SOTA весит 6 кг, а его размер - 17,8 см, ширина 11,4 см и высота 26,8 см. Он передает лазерный сигнал на землю со скоростью 10 Мб/с с высоты 600 км, двигаясь со скоростью 7 км/с. Ученым удалось правильно определить сигнал связи от SOTA, движущегося с такой большой скоростью. Это важный шаг на пути к созданию глобальной сети спутниковой связи на дальних дистанциях и по-настоящему безопасной.
В результате этого исследования NICT продемонстрировал, что спутниковая квантовая связь может быть реализована на небольших недорогих спутниках, что позволяет многим исследовательским учреждениям и компаниям использовать эту ключевую технологию. Это достижение, которое открывает новую страницу развития будущих глобальных сетей связи, что является большим стимулом для космической отрасли.

Технологии, необходимые для запуска небольших спутников с низкой стоимостью, в течение этого столетия значительно продвинулись вперед, и прилагаются значительные усилия для создания спутниковых «созвездий» для построения глобальной сети связи, охватывающей всю Землю. Однако существует потребность в технологии, которая может передавать большие объемы информации из космоса на землю в короткие промежутки времени, а текущие полосы радиочастот уже перегружены, что создает узкое место для пропускной способности канала. Используя лазеры, спутниковая оптическая связь имеет доступную частотную полосу и может передавать данные с более высокой энергоэффективностью и с меньшими и более легкими терминалами. Таким образом, ожидается, что она станет ключевой технологией для поддержки будущих сетей спутниковой связи. Квантовая связь и, более конкретно, квантовое распределение ключа (Quantum Key Distribution, QKD) - еще одна основная технология для обеспечения информационной безопасности будущих глобальных сетей связи. Длины текущих каналов связи QKD ограничены несколькими сотнями километров, таким образом, реализация канала QKD-спутник Земли—Земля является фундаментальным шагом в этом начинании. Исследования QKD активно проводятся в Японии, Китае, Европе, Канаде и США. В августе 2016 года Университет науки и техники Китая запустил большой (635 кг) спутник квантовый связи и провел эксперимент по квантовым зацеплениям с двумя наземными станциями.

SOTA - самый маленький и самый легкий в мире квантовый передатчик, встроенный в микроспутник SOCRATES. SOTA передал два состояния поляризации фотона, кодируя их «0» и «1», на землю со скоростью 10 Мб/с. Сигналы от SOTA были получены на оптической наземной станции NICT в Токийском городе Коганеи с использованием 1-метрового телескопа для сбора переданных фотонов и направления их на квантовый приемник для декодирования информации с использованием протокола QKD.
Сигнал, который поступает на 1-метровый телескоп, чрезвычайно слаб, со средним значением 0,1 фотона на принятый импульс. NICT разработал технологию для выполнения временной синхронизации и опорного кадра поляризации соответствия между спутником и наземной станцией непосредственно из QKD-сигналов, а также квантовый приемник, способный обнаруживать такой слабый сигнал с низким уровнем шума. Ученые продемонстрировали первую в мире квантовую связь от 50-килограммового микроспутника. Это позволит разрабатывать будущие безопасные каналы из космоса, используя квантовую криптографию, чтобы полностью предотвратить утечку информации.

В будущем планируется еще больше увеличить скорость передачи и повысить точность технологии отслеживания, чтобы максимизировать доставку безопасного ключа из космоса на землю, используя квантовую криптографию, обеспечивающую по-настоящему безопасную глобальную сеть связи, чья конфиденциальность в настоящее время находится под угрозой из-за предстоящего развитие квантовых компьютеров.

Первая демонстрация космической квантовой связи с использованием микроспутника

Изображение SOTA на борту SOCRATES

Расширение знаний, ведущее к более эффективной электронике

Недавнее открытие группы исследователей во главе с Тулейнским университетом расширяет фундаментальные знания, которые в один прекрасный день могут привести к созданию более энергоэффективных компьютеров, телевизоров, сотовых телефонов и другой электроники.

Открытие исследователями нового магнитного топологического полуметалла представлено в журнале Nature Materials.

Команду Тулейна возглавлял профессор физики Чжицян Мао (Zhiqiang Mao), высший научный сотрудник Тулейнской школы науки и техники в 2017 году.

Исследование проф. Мао, которое фокусируется на квантовых материалах, таких как сверхпроводники, магнитные материалы и топологические материалы, было проведено в ответ на потребность в лучших способах питания электроники, особенно при постоянном сокращении размеров транзисторов в смартфонах и других устройствах. Топологические полуметаллы представляют собой новое квантовое состояние материи.

«Недавно открытые топологические материалы - новый класс квантовых материалов - имеют большие перспективы для использования в энергосберегающей электронике», - сказал проф. Мао.

Фраза «топологические материалы» относится к тем материалам, где ток, несущий электроны, действует так, как будто они не имеют массы, подобно свойствам фотонов, частицам, составляющим свет.

«Ожидается, что результат улучшит фундаментальное понимание увлекательных свойств топологических полуметаллов», - сказал проф. Мао.

Кроме проф. Мао, группа ученых из Тулейна включала доцентов Цзинь Ху (Jin Hu) и Цзян Вэй (Jiang Wei), аспирантов Джинью Лю (Jinyu Liu), Янлинь Чжу (Yanglin Zhu) и приглашенного ученого Гуфэн Ченга (Goufeng Cheng).

Другие сотрудники по исследованию включают Университет штата Луизиана, Национальную лабораторию Окридж, Национальную лабораторию высоких магнитных полей в Таллахасси и Лос-Аламосе, Университет штата Флорида и Университет Нового Орлеана.

Расширение знаний, ведущее к более эффективной электронике

Новый магнитный полуметалл

Новый фотоприемник может улучшить оптоэлектронику

В наноразмерном фотодетекторе, который сочетает в себе уникальный метод изготовления и структуры захвата света, команда инженеров преодолела препятствия для повышения производительности в оптоэлектронных устройствах – таких как сенсоры камеры или солнечные элементы – без увеличения объема.

В сегодняшней все более мощной электронике наноразмерные материалы необходимы, поскольку изготовители стремятся повысить производительность без увеличения объема.

Уменьшение объема также желательно для оптоэлектронных устройств, таких как датчики камеры или солнечные элементы, которые собирают свет и преобразуют его в электрическую энергию. Подумайте, например, о снижении размера и веса пакета солнечных панелей, создании более качественных фотографий в условиях низкой освещенности или даже более быстрой передачи данных.

Однако на пути стояли две основные проблемы: во-первых, сокращение размера традиционно используемых «аморфных» тонкопленочных материалов также снижает их качество. Во-вторых, когда материалы становятся слишком тонкими, они становятся почти прозрачными и фактически теряют способность собирать или поглощать свет.

Теперь, в наноразмерном фотодетекторе, который сочетает в себе уникальный метод изготовления и структуры захвата света, команда инженеров из Университета Висконсин-Мэдисон и Университета в Буффало (UB) преодолела оба эти препятствия.

Исследователи, профессора электротехники Чжэньцян (Джек) Ма (Zhenqiang (Jack) Ma) и Зонфу Ю (Zongfu Yu) из Университета Висконсин-Мэдисон и Цяоцан Гань (Qiaoqiang Gan) из UB, описали свое устройство - однокристальный наномембранный германиевый фотодетектор на нанополостной подложке - в журнале Science Advances.

«Идея заключается в том, что вы хотите использовать очень тонкий материал для реализации той же функции устройств, в которой вам нужно использовать очень толстый материал», - говорит проф. Ма.

Устройство состоит из нанополостей, располагающихся между верхним слоем ультратонкого монокристаллического германия и отражающим слоем серебра.

«Из-за нанополостей фотоны ”рециркулируют”, поэтому поглощение света существенно увеличивается даже в очень тонких слоях материала», - говорит проф. Ма.

Нанополости состоят из упорядоченной серии взаимосвязанных молекул, которые по существу отражают свет или заставляют его рециркулировать. Проф. Гань уже показал, что его наноразмерные структуры увеличивают количество света, которое могут поглотить тонкие полупроводниковые материалы, такие как германий.

Однако большинство германиевых тонких пленок формируются как германий в его аморфной форме - это означает, что атомы материала теряют регулярность повторяющегося порядка кристалла. Это также означает, что его качество недостаточно для все более уменьшающихся приложений для оптоэлектроники.

Именно здесь вступает в игру опыт проф. Ма. Мировой эксперт в полупроводниковых наномембранных устройствах проф. Ма использовал революционную технологию мембранной передачи, которая позволяет ему легко интегрировать однокристаллические полупроводниковые материалы с подложкой.

В результате получается очень тонкий, но очень эффективный, светопоглощающий фотоприемник - строительный блок для будущего оптоэлектроники.

«Это успешная технология, которая позволяет вам увидеть широкий спектр оптоэлектроники, которая может иметь еще меньшие посадочные места и меньшие размеры», - говорит проф. Ю, который проводил вычислительный анализ детекторов.

Хотя исследователи продемонстрировали свои успехи, используя германиевый полупроводник, они также могут применить свой метод к другим полупроводникам.

«И что важно, настраивая нанополость, мы можем контролировать, какую длину волны мы фактически поглощаем, - говорит проф. Гань. - Это откроет путь для разработки множества различных оптоэлектронных устройств».

Новый фотоприемник может улучшить оптоэлектронику

Выпускник Университета Висконсин-Мэдисон по электротехнике и вычислительной технике Дженьян Ся (Zhenyang Xia) держит чашку, содержащую образцы фотоприемника. Цвета образцов варьируются в зависимости от того, на поглощения какой длины волны света они настроены

 
 
IDC
Реклама

  •  Home  •  Рынок  •  ИТ-директор  •  CloudComputing  •  Hard  •  Soft  •  Сети  •  Безопасность  •  Наука  •  IoT