Международная группа ведущих ученых во главе с физиком из Падерборна проф. Клаусом Йонсом (Klaus Jöns) составила всесторонний обзор потенциала, глобальных перспектив, предыстории и границ интегрированной фотоники. Статья — дорожная карта для интегральных фотонных схем для квантовых технологий — была опубликована в журнале Nature Reviews Physics. В обзоре описаны основные технологии, представлено текущее состояние исследований и описаны возможные приложения в будущем.

«Фотонно-квантовые технологии достигли ряда важных вех за последние 20 лет. Но масштабируемость остается серьезной проблемой, когда дело доходит до преобразования результатов из лаборатории в повседневные приложения. Приложениям часто требуется более 1000 оптических компонентов, каждый из которых должен быть индивидуально оптимизирован. Однако фотонные квантовые технологии могут выиграть от параллельных разработок в области классической фотонной интеграции», — объясняет проф. Йонс.

По словам ученых, необходимы дополнительные исследования. «Интегрированные фотонные платформы, требующие различных материалов, конструкций компонентов и стратегий интеграции, создают множество проблем, в частности, потери сигнала, которые нелегко компенсировать в квантовом мире», — продолжает проф. Йонс. В своей статье авторы заявляют, что сложный инновационный цикл для интегрированных фотонных квантовых технологий (IPQT) требует инвестиций, решения конкретных технологических задач, развития необходимой инфраструктуры и дальнейшего структурирования в направлении зрелой экосистемы. Они пришли к выводу, что растет спрос на ученых и инженеров, обладающих существенными знаниями в области квантовой механики и ее технологических приложений.

Интегрированная квантовая фотоника использует классические интегрированные фотонные технологии и устройства для квантовых приложений, при этом интеграция на уровне микросхем имеет решающее значение для масштабирования и преобразования лабораторных демонстрационных технологий в реальные технологии. Проф. Йонс объясняет: «Усилия в области интегрированной квантовой фотоники широкомасштабны и включают разработку квантово-фотонных схем, которые могут быть монолитно, гибридно или гетерогенно интегрированы. В нашей статье мы обсуждаем, какие приложения могут стать возможными в будущем с помощью преодоление существующих препятствий».

Ученые также представляют обзор исследовательской среды и обсуждают инновации и рыночный потенциал. Цель состоит в том, чтобы стимулировать дальнейшие исследования и финансирование исследований путем определения не только научных вопросов, но и проблем, связанных с развитием необходимой производственной инфраструктуры и цепочек поставок для вывода технологий на рынок.

По мнению ученых, необходимо срочно вкладывать значительные средства в образование, чтобы подготовить следующее поколение инженеров IPQT. Проф. Йонс говорит: «Независимо от типа технологии, которая будет использоваться в коммерческих квантовых устройствах, основополагающие принципы квантовой механики одни и те же. Мы прогнозируем растущий спрос на ученых и инженеров, обладающих существенными знаниями как в области квантовой механики, так и в ее технологических приложениях. Инвестиции в образование следующего поколения будут способствовать расширению научных и технологических границ».

Квантовые эффекты в сверхпроводниках могут дать полупроводниковой технологии новый поворот. Исследователи из Института Пауля Шеррера (PSI) и Корнельского университета в штате Нью-Йорк определили композитный материал, который может использовать для квантовых устройств полупроводниковую технологию, делая электронные компоненты значительно более мощными. Они публикуют свои выводы в журнале Science Advances.

Наша текущая электронная инфраструктура базируется в основном на полупроводниках. Этот класс материалов появился примерно в середине 20 века и с тех пор постоянно совершенствуется. В настоящее время наиболее важными задачами полупроводниковой электроники являются дальнейшие улучшения, которые позволят увеличить пропускную способность передачи данных, энергоэффективность и информационную безопасность. Использование квантовых эффектов, вероятно, станет прорывом.

Особого внимания заслуживают квантовые эффекты, которые могут возникать в сверхпроводящих материалах. Тот факт, что квантовые эффекты в сверхпроводниках можно использовать, уже был продемонстрирован в первых квантовых компьютерах.

Чтобы найти возможных преемников современной полупроводниковой электроники, некоторые исследователи, в том числе группа из Корнельского университета, изучают так называемые гетеропереходы, то есть структуры, состоящие из двух разных типов материалов. В частности, они рассматривают слоистые системы из сверхпроводящих и полупроводниковых материалов. «В течение некоторого времени было известно, что для этого необходимо выбирать материалы с очень похожей кристаллической структурой, чтобы не возникало напряжения в кристаллической решетке на контактной поверхности», - объясняет Джон Райт, создавший гетеропереходы для нового исследования в Корнельском университете.

Двумя подходящими материалами в этом отношении являются сверхпроводящий нитрид ниобия (NbN) и полупроводниковый нитрид галлия (GaN). Последний уже играет важную роль в полупроводниковой электронике и поэтому хорошо изучен. Однако до сих пор было неясно, как именно электроны ведут себя на границе контакта этих двух материалов, и возможно ли, что электроны из полупроводника вмешиваются в сверхпроводимость и, таким образом, уничтожают квантовые эффекты.

«Когда я натолкнулся на исследования группы в Корнелле, я знал, здесь, в PSI, мы можем найти ответ на этот фундаментальный вопрос с помощью наших спектроскопических методов на пучке канала ADRESS», - объясняет Владимир Строчов, исследователь из Synchrotron Light Source в PSI.

Так пришли к сотрудничеству две группы. В своих экспериментах они в конечном итоге обнаружили, что электроны в обоих материалах «держатся сами по себе». Никакого нежелательного взаимодействия, которое потенциально могло бы испортить квантовые эффекты, не происходит.

Исследователи PSI использовали метод, хорошо зарекомендовавший себя на канале ADRESS SLS: фотоэлектронная спектроскопия с угловым разрешением с использованием мягкого рентгеновского излучения - или для краткости SX-ARPES. «С помощью этого метода мы можем визуализировать коллективное движение электронов в материале», - объясняет Тяньлунь Ю (Tianlun Yu), научный сотрудник группы Владимира Строчова, которая проводила измерения на гетероструктуре NbN/GaN.

Метод SX-ARPES предоставляет своего рода карту, пространственные координаты которой показывают энергию электронов в одном направлении и их импульс - в другом. «В этом представлении электронные состояния отображаются на карте в виде ярких полос», - объясняет Ю. Важнейший результат исследования: на границе материала между нитридом ниобия NbN и нитридом галлия GaN соответствующие «полосы» четко отделены друг от друга. Это говорит о том, что электроны остаются в своем исходном материале и не взаимодействуют с электронами в соседнем материале.

«Самый важный вывод для нас состоит в том, что сверхпроводимость в нитриде ниобия остается неизменной, даже если размещать ее атом за атомом, чтобы она соответствовала слою нитрида галлия, - говорит Владимир Строчов. - С этим мы смогли предоставить еще одну часть головоломки, которая подтверждает: эта система слоев может фактически подойти для новой формы полупроводниковой электроники, которая включает и использует квантовые эффекты, происходящие в сверхпроводниках».

Компьютерные системы, которые физически изолированы от внешнего мира (закрытые), все еще могут быть атакованы. Это демонстрируют эксперты по ИТ-безопасности из Технологического института Карлсруэ (KIT) в проекте LaserShark. Они показывают, что данные могут быть переданы на светодиоды обычных офисных устройств с помощью направленного лазера. Благодаря этому злоумышленники могут тайно связываться с компьютерными системами с воздушным зазором на расстоянии нескольких метров. В дополнение к традиционной безопасности информационных и коммуникационных технологий критически важные ИТ-системы также нуждаются в оптической защите.

Хакеры атакуют компьютеры с помощью лазеров. Звучит, как сцена из последнего фильма о Джеймсе Бонде, но на самом деле это возможно. В начале декабря 2021 г. исследователи из KIT, TU Braunschweig и TU Berlin представили атаку LaserShark на 37-й ежегодной конференции по приложениям компьютерной безопасности (ACSAC). Этот исследовательский проект посвящен скрытой связи по оптическим каналам. Компьютеры или сети в критических инфраструктурах часто физически изолированы для предотвращения доступа извне. «Воздушный зазор» означает, что эти системы не имеют ни проводных, ни беспроводных подключений к внешнему миру. Предыдущие попытки обойти такую защиту с помощью электромагнитных, акустических или оптических каналов просто работали на небольших расстояниях или низких скоростях передачи данных. Более того, они часто позволяют только кражу данных, то есть получение данных.

Группа безопасности интеллектуальных систем из KASTEL - Института информационной безопасности и надежности KIT - в сотрудничестве с исследователями из Брауншвейгского и Берлинского университетов продемонстрировали новую атаку: с помощью направленного лазерного луча злоумышленник может передавать данные в системы с воздушными зазорами и извлекать данные без дополнительного оборудования на атакуемом устройстве. «В этой скрытой оптической связи используются светодиоды, уже встроенные в офисные устройства, например, для отображения сообщений о состоянии на принтерах или телефонах», - объясняет профессор Кристиан Вресснеггер (Christian Wressnegger), руководитель группы безопасности интеллектуальных систем KASTEL. Светоизлучающие диоды (LED) могут получать свет, хотя они для этого не предназначены.

Направляя лазерный свет на уже установленные светодиоды и записывая их реакцию, исследователи устанавливают скрытый канал связи на расстоянии до 25 м, который можно использовать в обоих направлениях. Он обеспечивает скорость передачи данных 18,2 Кб/с при входящем и 100 Кб/с при исходящем. Эта оптическая атака возможна на коммерчески доступных офисных устройствах, используемых в компаниях, университетах и государственных учреждениях. «Проект LaserShark демонстрирует, насколько важна дополнительная оптическая защита критически важных ИТ-систем по сравнению с обычными мерами безопасности информационных и коммуникационных технологий», - говорит Кристиан Вресснеггер.

Поскольку данные могут передаваться с помощью света, критически важные системы безопасности нуждаются в оптической защите

В настоящее время квантовые компьютеры сложны в сборке, масштабировании и требуют для работы более низких температур, чем межзвездное пространство. Эти проблемы побудили исследователей изучить квантовые компьютеры, которые работают с использованием фотонов. Фотоны могут легко переносить информацию из одного места в другое, а фотонные квантовые компьютеры могут работать при комнатной температуре, поэтому этот подход является многообещающим. Однако, хотя люди успешно создали отдельные квантовые «логические вентили» для фотонов, построить большое количество вентилей и надежно соединить их для выполнения сложных вычислений непросто.

Согласно статье, опубликованной в Optica, исследователи Стэнфордского университета предложили более простую конструкцию фотонных квантовых компьютеров с использованием легко доступных компонентов. В их предлагаемой конструкции используется лазер для управления одиночным атомом, который, в свою очередь, может изменять состояние фотонов с помощью явления, называемого «квантовой телепортацией». Атом можно сбросить и повторно использовать для многих квантовых вентилей, устраняя необходимость в создании нескольких отдельных физических вентилей, что значительно снижает сложность построения квантового компьютера.

«Обычно, если вы хотите построить такой тип квантового компьютера, вам придется взять потенциально тысячи квантовых излучателей, сделать их все совершенно неразличимыми, а затем объединить их в гигантскую фотонную схему, - сказал кандидат наук и ведущий автор статьи Бен Бартлетт (Ben Bartlett). - Принимая во внимание, что с этим дизайном нам понадобится всего несколько относительно простых компонентов, размер машины не увеличивается с размером квантовой программы, которую вы хотите запустить».

Эта удивительно простая конструкция требует всего нескольких единиц оборудования: оптоволоконный кабель, лучерасщепитель, пара оптических переключателей и оптический резонатор - компоненты, которые уже существуют и имеются в продаже.

«То, что мы предлагаем здесь, основано на усилиях и инвестициях, которые были вложены в улучшение этих компонентов, - сказал Шанхуэй Фань (Shanhui Fan), профессор Школы инженерии Джозефа и Хон Май Гудмана и старший автор статьи. - Это не новые компоненты специально для квантовых вычислений».

Инновационный дизайн требует всего нескольких единиц имеющегося в продаже оборудования - оптоволоконный кабель, лучерасщепитель, пара оптических переключателей и оптический резонатор

Квантовые вычисления делают новый шаг вперед благодаря исследованиям, проведенным в сотрудничестве между Университетом Хельсинки, Университетом Аалто, Университетом Турку и IBM Research Europe-Zurich. Команда ученых предложила схему сокращения количества вычислений, необходимых для считывания данных, хранящихся в форме квантового состоянии квантового процессора. Это, в свою очередь, сделает квантовые компьютеры более эффективными, быстрыми и, в конечном итоге, более устойчивыми.

Квантовые компьютеры обладают потенциалом для решения важных проблем, которые недоступны даже для самых мощных суперкомпьютеров, но они требуют совершенно нового способа программирования и создания алгоритмов.

Университеты и крупные технологические компании возглавляют исследования по разработке этих новых алгоритмов. В ходе недавнего сотрудничества между университетом Хельсинки, университетом Аалто, университетом Турку и IBM Research Europe-Zurich группа исследователей разработала новый метод ускорения вычислений на квантовых компьютерах. Результаты опубликованы в журнале PRX Quantum Американского физического общества.

«В отличие от классических компьютеров, которые используют биты для хранения единиц и нулей, информация хранится в кубитах квантового процессора в форме квантового состояния или волновой функции», - говорит доктор наук Гильермо Гарсиа-Перес (Guillermo García-Pérez) с физического факультета Университета Хельсинки, первый автор статьи.

Таким образом, для считывания данных с квантовых компьютеров требуются специальные процедуры. Квантовые алгоритмы также требуют набора входных данных, представленных, например, в виде действительных чисел, и списка операций, которые необходимо выполнить с некоторым эталонным начальным состоянием.

«Используемое квантовое состояние фактически невозможно восстановить на обычных компьютерах, поэтому полезные идеи должны быть получены путем выполнения конкретных наблюдений (которые квантовые физики называют измерениями)», - говорит д-р Гарсиа-Перес.

Проблема заключается в том, что для многих популярных приложений квантовых компьютеров требуется большое количество измерений (например, так называемый вариационный квантовый вычислитель, который можно использовать для преодоления важных ограничений в изучении химии, например, при открытии лекарств). Известно, что количество требуемых вычислений очень быстро растет вместе с размером системы, которую нужно моделировать, даже если требуется лишь частичная информация. Это затрудняет масштабирование процесса, замедляет вычисления и потребляет много вычислительных ресурсов.

Метод, предложенный д-ром Гарсиа-Пересом и соавторами, использует обобщенный класс квантовых измерений, которые адаптируются на протяжении всего процесса вычисления, чтобы эффективно извлекать информацию, хранящуюся в квантовом состоянии. Это резко снижает количество итераций и, следовательно, время и вычислительные затраты, необходимые для получения высокоточного моделирования.

Метод может повторно использовать предыдущие результаты измерений и изменять свои собственные настройки. Последующие прогоны становятся все более точными, а собранные данные можно повторно использовать снова и снова для расчета других свойств системы без дополнительных затрат.

«Мы максимально используем каждую выборку, комбинируя все полученные данные. В то же время мы настраиваем измерения для получения высокоточных оценок исследуемой величины, например энергии интересующей молекулы. Объединив эти ингредиенты, мы можем сократить ожидаемое время работы на несколько порядков», - говорит Гарсиа-Перес.

Команда исследователей предлагает схему сокращения количества вычислений, необходимых для считывания данных, хранящихся в состоянии квантового процессора

IBM и Samsung Electronics совместно объявили о прорыве в разработке полупроводников с использованием новой вертикальной транзисторной архитектуры, которая демонстрирует путь к масштабированию за пределы нанолиста (двумерной наноструктуры толщиной от 1 до 100 нм) и может снизить потребление энергии на 85% по сравнению с масштабируемым трехзатворным полевым транзистором (finFET). Глобальная нехватка полупроводников подчеркнула критическую роль инвестиций в исследования и разработки микросхем и их важность во всем: от высокопроизводительных вычислений до бытовой техники, устройств связи, транспортных систем и критически важной инфраструктуры.

Инновация в области полупроводников была достигнута в комплексе Albany Nanotech в Олбани, штат Нью-Йорк, где ученые-исследователи работают в тесном сотрудничестве с партнерами из государственного и частного секторов, чтобы раздвинуть границы логического масштабирования и возможностей полупроводников.

Такой совместный подход к инновациям делает Albany Nanotech Complex ведущей в мире экосистемой для исследований в области полупроводников и создает мощный поток инноваций, помогая удовлетворить потребности производства и ускорить рост мировой индустрии микросхем.

Новый прорыв в области вертикальных транзисторов может помочь полупроводниковой промышленности продолжить неустанный путь к значительным улучшениям. Так, станет доступной архитектура устройства, которая позволяет масштабировать полупроводниковые приборы за пределы нанолистов. Могут быть созданы батареи сотовых телефонов, которые будут работать без подзарядки больше недели. Энергоемкие процессы, такие как операции криптомайнинга и шифрование данных, будут выполняться при значительно меньших затратах энергии и иметь меньший углеродный след. Станет возможным постоянное расширение Интернета вещей и периферийных устройств с меньшими потребностями в энергии, что позволит им работать в более разнообразных средах, таких как океанские буи, автономные транспортные средства и космические корабли.

«Сегодняшнее сообщения о технологиях - это вызов общепринятым нормам и переосмысление того, как мы продолжаем развивать общество и внедрять инновации, которые улучшают жизнь, бизнес и снижают наше воздействие на окружающую среду, - сказал д-р Мукеш Харе (Mukesh Khare), вице-президент по гибридным облакам и системам, IBM Research. - Учитывая ограничения, с которыми в настоящее время сталкивается отрасль по нескольким направлениям, IBM и Samsung демонстрируют приверженность к совместным инновациям в разработке полупроводников и совместное стремление к тому, что мы называем «hard tech».

Сравнение композиции VTFET (слева) и FET (справа) с текущими через них токами

Раньше разработчикам удавалось поместить в микросхему больше транзисторов за счет уменьшения шага затвора и разводки. Физическое пространство, в котором помещаются все компоненты, называется шагом контактного затвора (CGP, Contacted Gate Pitch). Возможность уменьшения шага затвора и проводки в свое время позволила разработчикам интегральных схем перейти от тысяч к миллионам, а затем и к миллиардам транзисторов в чипах. Но и с самой передовой технологией FinFET все же остается не так много места для всех компонентов полевого транзистора и контактов.

Теперь же, ориентируя электрический ток по вертикали, появилось пространство для масштабирования CGP, сохраняя при этом работоспособность транзистора, контактов и изоляции (shallow trench isolation, STI). Освободившись от ограничений, связанных с боковой компоновкой и протеканием тока, удалось использовать более крупные контакты истока / стока для увеличения тока на устройстве. Длину затвора можно выбрать для оптимизации тока возбуждения устройства и утечки, а толщину прокладки можно независимо оптимизировать для снижения емкости. Отпала нужда идти на компромисс между затвором, прокладкой и размером контакта, что может привести к повышению скорости переключения и снижению энергопотребления.

Еще одна ключевая особенность VTFET - это возможность использовать STI для изоляции соседних цепей для достижения изоляции нулевого диффузионного прерывания (ZDB,  Zero-Diffusion Break) без потери шага активного затвора. Для сравнения, плотность схемы полевого транзистора с поперечным переносом зависит от двойных или одинарных диффузионных разрывов, необходимых для изоляции схемы, что влияет на возможность дальнейшего сокращения технологии.

Первый в Финляндии 5-кубитный квантовый компьютер запущен и работает в Micronova, являющейся частью OtaNano, национальной исследовательской инфраструктуры в области микро- и нанотехнологий, совместно управляемой VTT и Университетом Аалто.

Большой проблемой квантовых вычислений является масштабируемость. Квантовые физики и инженеры по всему миру пытаются выяснить, как масштабировать оборудование для квантовых вычислений, чтобы включить в него сотни и тысячи кубитов, масштабировать производство экономически эффективным способом, а также масштабировать алгоритмы и использовать квантовые вычисления в реальных приложениях.

5-кубитный квантовый компьютер стоимостью 20 млн. евро является частью более крупной инициативы, поскольку VTT и IQM стремятся к 2024 году построить 50-кубитный квантовый компьютер. Недавно IQM открыла пилотный завод по производству квантовых процессоров.

В Финляндии есть активное исследовательское сообщество под названием InstituteQ с VTT, Университетом Аалто и Хельсинкским университетом в качестве членов-учредителей, а также сеть BusinessQ, которая поддерживает компании во внедрении квантовых технологий в их бизнес.

«Развитие квантовых вычислений затронет все отрасли. «Наш опыт в создании квантового компьютера и наши ноу-хау в разработке квантовых алгоритмов помогут нам разработать квантовое предвидение, например, для определения будущих тенденций и поддержки компаний в понимании того, как и когда это повлияет на их бизнес, - сказал Пекка Пурсула (Pekka Pursula), менеджер по исследованиям в VTT. - Лучшим способом для компаний сделать это является совместная работа с VTT и фактическое использование нашего нового оборудования».

«Сегодняшнее объявление знаменует собой важную веху для IQM и европейских квантовых инициатив. По завершении этого этапа IQM станет одной из немногих квантовых компаний, которые могут поставить локальный квантовый компьютер клиенту. Я поздравляю наших партнеров, VTT, а также всю команду IQM, которым удалось достичь этой амбициозной вехи во время пандемии. Это только первый этап поставки, и, поскольку мы можем модернизировать системы, мы с нетерпением ждем возможности работать с VTT над поставкой систем с 20 кубитами и 50 кубитами», - говорит д-р Ян Гетц (Jan Goetz), генеральный директор и сооснователь IQM.

Центр технических исследований VTT и IQM запустили первый в Финляндии действующий 5-кубитный квантовый компьютер

Hype cycle (цикл ажиотажа) - это графическое отображение проникновения, адаптации и социального влияния специфических технологий. Термин был введен Gartner. C 1995 г. компания использует эту методику для описания и оценки энтузиазма, который вызывает у пользователей появление новых технологических решений.

Внедрение облачных технологий росло задолго до пандемии, и теперь Gartner прогнозирует, что к концу этого года количество развертываний общедоступных облаков превысит количество рабочих нагрузок в частных ЦОД. С этим ростом возникает острая необходимость в улучшении безопасного доступа к Интернету, облачным сервисам и облачным приложениям.

«Стратегии cloud first сейчас распространены даже среди организаций, не склонных к риску, - говорит Том Кролл (Tom Croll), старший директор-аналитик Gartner. - Однако выполнение по-прежнему затруднено из-за отсутствия необходимых навыков и инструментов для обеспечения безопасного развертывания облачных вычислений».

Облачная безопасность - это самый быстрорастущий сегмент на рынке технологий и услуг ИБ, с особым интересом к инновациям для поддержки удаленной работы и ускорения цифрового бизнеса.

Gartner Hype Cycle for Cloud Security, 2021, суммирует 29 наиболее значимых технологий, которые обеспечивают реализацию контролируемых, совместимых и экономичных облачных стратегий. Однако среди них есть четыре, которые, как принято говорить, must have.

- Сервис безопасного доступа на границе (Secure Access Service Edge, SASE)
SASE предоставляется как услуга и обеспечивает доступ к системам на основе идентификатора устройства или объекта в сочетании с контекстом в реальном времени и политиками безопасности и соответствия. SASE значительно упрощает доставку и работу критически важных сетевых служб и служб сетевой безопасности, главным образом, с помощью облачной модели, повышая гибкость, отказоустойчивость и безопасность. Gartner прогнозирует, что SASE окажет трансформирующее влияние в течение следующих двух—пяти лет.

- Служба безопасности на границе (Security Service Edge, SSE)
SSE защищает доступ к сети, облачным сервисам и частным приложениям. Возможности включают контроль доступа, защиту от угроз, безопасность данных, мониторинг безопасности и контроль допустимого использования, все это обеспечивается интеграцией на основе сети и API. Gartner прогнозирует, что SSE окажет большое влияние в ближайшие три—пять лет.

- Управление состоянием безопасности SaaS (SaaS Security Posture Management, SSPM)
Инструменты SSPM постоянно оценивают риски безопасности и управляют состоянием безопасности приложений SaaS. Основные возможности включают создание отчетов о конфигурации собственных параметров безопасности SaaS, управление разрешениями идентификации и предложения по улучшению конфигурации для снижения риска. Gartner прогнозирует, что SSPM окажет большое влияние в следующие пять—десять лет.

- Платформы защиты облачных приложений (Cloud Native Application Protection Platforms, CNAPP)
CNAPP - новинка в Gartner Hype Cycle в этом году. Это интегрированный набор средств безопасности и соответствия нормативным требованиям, предназначенный для обеспечения безопасности и защиты облачных приложений в процессе разработки и производства. Gartner прогнозирует задержку от пяти до десяти лет до того, как CNAPP станет использоваться регулярно, но ожидает значительного воздействия.

Многообещающий путь к более крупным квантовым компьютерам - это организация небольших систем, оптимизированных для множества задач. Для динамического соединения и переплетения любых двух систем фотонная интерференция становится мощным методом из-за ее совместимости с устройствами на кристалле и распространения на большие расстояния в квантовых сетях.

Одним из основных препятствий на пути к коммерциализации квантовой фотоники остается изготовление и интеграция масштабируемых квантовых систем в наномасштабе из-за их печально известной чувствительности к мельчайшим возмущениям в ближайшем окружении. Это сделало чрезвычайно сложной задачей разработку систем, которые можно использовать для квантовых вычислений, одновременно предлагая эффективный оптический интерфейс.

Недавний результат, опубликованный в Nature Materials, показывает, как можно преодолеть препятствие интеграции. Работа основана на многонациональном сотрудничестве с исследователями из университетов Штутгарта (Physics 3), Дэвиса, Калифорния, Линчёпинга и Киото, а также Института Фраунгофера в Эрлангене, Центра Гельмгольца в Дрездене и Института Лейбница в Эрлангене. Лейпциг.

Исследователи придерживались двухэтапного подхода. Во-первых, их предпочтительная квантовая система - это так называемый центр вакансии кремния в карбиде кремния, который, как известно, обладает особенно устойчивыми спин-оптическими свойствами. Во-вторых, они изготовили нанофотонные волноводы вокруг этих центров окраски, используя щадящие методы обработки, которые сохраняют основной материал практически без повреждений.

«С помощью нашего подхода мы смогли продемонстрировать, что превосходные спин-оптические свойства наших центров окраски сохраняются после нанофотонной интеграции, - сказал Флориан Кайзер (Florian Kaiser), доцент Штутгартского университета, руководитель этого проекта. - Благодаря надежности наших квантовых устройств мы получили достаточно места для изготовления квантовых вентилей на кубитах с несколькими ядерными спинами. Поскольку эти спины показывают очень долгое время когерентности, они отлично подходят для реализации небольших квантовых компьютеров».

«В этом проекте мы исследовали своеобразную треугольную форму фотонных устройств. Хотя эта геометрия имеет коммерческую привлекательность, поскольку обеспечивает универсальность, необходимую для масштабируемого производства, мало что было известно о ее полезности для высокопроизводительного квантового оборудования. Наши исследования показывают, что излучаемый центром окраски свет, который несет квантовую информацию через чип, может эффективно распространяться в одном оптическом режиме. Это ключевой вывод для жизнеспособности интеграции центров окраски с другими фотонными устройствами, такими как нанорезонаторы, оптическое волокно и однофотонные детекторы, необходимые для реализации всех функций квантовых сетей и вычислений», - говорит Марина Радуласки (Marina Radulaski), доцент Калифорнийского университета в Дэвисе.

Что делает платформу из карбида кремния особенно интересной, так это ее совместимость с КМОП и ее интенсивное использование в качестве мощного полупроводника в электрической мобильности. Теперь исследователи хотят извлечь выгоду из этих свойств, чтобы использовать масштабируемое производство чипов спин-фотоники. Кроме того, они хотят реализовать полупроводниковую схему для электрической инициализации и считывания квантовых состояний своих спиновых кубитов. «Максимальное электрическое управление - вместо традиционного оптического управления с помощью лазеров - является важным шагом на пути к упрощению системы. Комбинация эффективной нанофотоники с электрическим управлением позволит нам надежно объединить больше квантовых систем на одном кристалле, что приведет к значительной производительности, - добавляет Флориан Кайзер. - В этом смысле мы только находимся на заре квантовых технологий с центрами окраски в карбиде кремния. Наша успешная нанофотонная интеграция - это не только захватывающий инструмент для распределенных квантовых вычислений, но она также может повысить производительность компактных квантовых датчиков».

Визуализация канала связи, интегрированного в нанофотонный SiC волновод

Ученые уже давно стремились создать компьютеры, которые работали бы так же энергоэффективно, как наш мозг. В исследовании, проведенном сотрудниками Гетеборгского университета, Швеция, впервые удалось объединить функцию памяти с функцией вычисления в одном компоненте. Это открытие открывает путь для более эффективных технологий, от мобильных телефонов до беспилотных автомобилей.

В последние годы компьютеры смогли решать сложные когнитивные задачи, такие как распознавание языка и изображений или отображение сверхчеловеческих шахматных навыков, во многом благодаря искусственному интеллекту (ИИ). В то же время человеческий мозг по-прежнему не имеет себе равных по своей способности выполнять задачи эффективно и энергоэффективно.

«Поиск новых способов выполнения вычислений, которые напоминают энергоэффективные процессы мозга, было основной целью исследований на протяжении десятилетий. Познавательные задачи, такие как распознавание изображений и голоса, требуют значительной мощности компьютера, и мобильных приложений, в частности, такие как мобильные телефоны, дроны и спутники, требуют энергоэффективных решений, - говорит Йохан Окерман, профессор прикладной спинтроники в Гетеборгском университете.

Работая с исследовательской группой в Университете Тохоко, проф. Окерман провел исследование, которое сделало важный шаг вперед в достижении этой цели. В работе, опубликованной в престижном журнале Nature Materials, ученым впервые удалось связать два основных инструмента для сложных вычислений: сети осцилляторов и мемристоры.

Проф. Окерман описывает осцилляторы как колебательные контуры, которые могут выполнять вычисления, и которые сопоставимы с нервными клетками человека. Мемристоры - это программируемые резисторы, которые также могут выполнять вычисления и имеют встроенную память. Это делает их сопоставимыми с ячейками памяти. Интеграция этих двух аспектов - серьезное достижение исследователей.

«Это важный прорыв, потому что мы показываем, что можно объединить функцию памяти с функцией вычислений в одном компоненте. Эти компоненты работают больше как энергоэффективные нейронные сети мозга, что позволяет им стать важными строительными блоками в будущих, более похожих на мозг компьютерах».

По словам Йохана Окермана, открытие позволит применить более быстрые, простые в использовании и менее энергоемкие технологии во многих областях. Он считает огромным преимуществом то, что исследовательская группа успешно произвела компоненты на чрезвычайно малой площади: сотни компонентов помещаются на площади, эквивалентной одной бактерии. Это может иметь особое значение для небольших приложений, таких как мобильные телефоны.

«Более энергоэффективные вычисления могут привести к появлению новых функций в мобильных телефонах. Примером могут служить цифровые помощники, такие как Siri или Google. Сегодня вся обработка выполняется серверами, поскольку для таких расчетов на телефоне небольшого размера требуется слишком много энергии. Вместо этого расчеты можно было бы выполнять локально, на реальном телефоне, они могли бы выполняться быстрее и проще без необходимости подключения к серверам. Чем с большей энергоэффективностью могут выполняться когнитивные вычисления, тем больше становится возможным приложений. Вот почему наше исследование действительно имеет потенциал для продвижения в этой области», - прокомментировал разработку профессор.

Нейроморфные вычисления - это область, связанная с искусственным интеллектом, которая пытается имитировать нейронные сети мозга. В исследовании используются новые алгоритмические подходы, которые напоминают то, как человеческий мозг интегрируется с окружающим миром, чтобы обеспечить способность, приближающуюся к человеческому познанию.

Новые компоненты позволяют производить расчеты с низким энергопотреблением. В исследовании, проведенном учеными из Гетеборгского университета, впервые удалось объединить функцию памяти и функцию вычисления в одних и тех же компонентах