Нова робота передбачає можливість створювати фракціоновані електрони, відомі як неабелеві еніони (від анг. any), без магнітного поля, відкриваючи нові можливості для фундаментальних досліджень і майбутніх застосувань.

Фізики МТІ показали, що можливо створити екзотичну форму матерії, якою можна маніпулювати для формування кубітів будівельних блоків майбутніх квантових комп’ютерів, які будуть ще потужнішими, ніж квантові комп’ютери, що розробляються сьогодні.

Робота базується на минулорічному відкритті матеріалів, які містять електрони, які можуть розділятися на частки (фракції), але, що важливо, можуть робити це без застосування магнітного поля.

Загальне явище фракціоналізації електронів було вперше відкрито в 1982 році і призвело до Нобелівської премії. Однак ця робота вимагала застосування магнітного поля. Можливість створювати фракціоновані електрони без магнітного поля відкриває нові можливості для фундаментальних досліджень і робить матеріали, що містять їх, більш корисними для застосування.

Коли електрони розщеплюються на частки, ці фракції називаються еніонами. Будь-які бувають різних ароматів, або класів. Еніони, виявлені в матеріалах 2023 року, відомі як абелеві еніони. Тепер у статті, опублікованій у випуску Physical Review Letters від 17 жовтня, команда МТІ зазначає, що має бути можливим створити найекзотичніший клас еніонів -  неабелевих еніонів.

«Неабелеві еніони мають дивовижну здатність «пам’ятати» свої просторово-часові траєкторії; цей ефект пам’яті може бути корисним для квантових обчислень», — каже Лян Фу (Liang Fu), професор кафедри фізики МТІ та керівник роботи.

Далі проф. Фу зазначає, що «експерименти 2023 року з фракціоналізації електронів значно перевершили теоретичні очікування. Моя думка полягає в тому, що ми, теоретики, повинні бути сміливішими». Проф. Фу також пов'язаний з дослідницькою лабораторією матеріалів MТІ.

Робота та два пов’язані дослідження також були представлені в журналі Physics Magazine. Якщо це передбачення буде підтверджено експериментально, це може призвести до створення більш надійних квантових комп’ютерів, які зможуть виконувати більш широкий спектр завдань… Теоретики вже винайшли способи використовувати неабелеві стани як працездатні кубіти та маніпулювати збудженнями цих станів, щоб забезпечити стійкі квантові обчислення».

Поточна робота ґрунтувалася на останніх досягненнях у двовимірних матеріалах, або тих, що складаються лише з одного або кількох шарів атомів. «Увесь світ двовимірних матеріалів дуже цікавий, тому що ви можете складати їх і скручувати, а також грати з ними в Лего, щоб отримати різноманітні скручени сендвіч-структури з незвичайними властивостями», — каже аспірант Нісарга Пол (Nisarga Paul). Ці сендвічні структури, у свою чергу, називаються муаровими матеріалами (сімейство матеріалів, яскравим представником якого є скручений двошаровий графен).

Еніони можуть формуватися лише в двовимірних матеріалах. Чи можуть вони утворюватися в муарових матеріалах ? Експерименти 2023 року першими показали, що можуть. Незабаром після цього група під керівництвом Лон Джу (Long Ju), доцента фізики МТІ, повідомила про докази еніонів в іншому муаровому матеріалі.
                             
У поточній роботі фізики показали, що можна створювати неабелеві еніони в муаровому матеріалі, що складається з атомарно тонких шарів дітеллуриду молібдену. За словами Пола, «за останні роки муарові матеріали вже виявили захоплюючі фази матерії, і наша робота показує, що до списку можна додати неабелеві фази. Цей проект варіювався від справді конкретних числових розрахунків до досить абстрактної теорії та поєднував обидва. Я багато дізнався від своїх колег про дуже цікаві теми».

Днями пройшли анонси щодо Нобелівської премії за 2024, але варто ще раз згадати минулорічне нагородження.

Нобелівську премію з хімії 2023 року присуджується за відкриття та розробку квантових точок, наночастинок настільки дрібних, що їх розмір визначає їхні властивості. Ці найменші компоненти нанотехнологій тепер поширюють світло від телевізорів і світлодіодних ламп, а також можуть керувати хірургами, коли вони видаляють пухлинну тканину, серед багатьох інших речей.

Кожен, хто вивчає хімію, дізнається, що властивості елемента визначаються кількістю електронів у нього. Однак, коли матерія стискається до нанорозмірів, виникають квантові явища; вони регулюються розміром матерії. Лауреатам Нобелівської премії з хімії 2023 року вдалося створити настільки малі частинки, що їхні властивості визначаються квантовими явищами. Частинки, які називаються квантовими точками, зараз мають велике значення в нанотехнологіях.

«Квантові точки мають багато захоплюючих і незвичайних властивостей. Важливо те, що вони мають різні кольори залежно від свого розміру», — говорить Йохан Аквіст (Johan Åqvist), голова Нобелівського комітету з хімії.

Фізики давно знали, що в теорії залежні від розміру квантові ефекти можуть виникати в наночастинках, але в той час було майже неможливо створити в нанорозмірах. Тому мало хто вірив, що ці знання знайдуть практичне застосування.

Однак на початку 1980-х років Олексію Єкімову вдалося створити залежні від розміру квантові ефекти в кольоровому склі. Колір походить від наночастинок хлориду міді, і Єкімов продемонстрував, що розмір частинок впливає на колір скла через квантові ефекти.

Кілька років потому Луїс Брус (Louis Brus) був першим ученим у світі, який довів залежність від розміру квантових ефектів у частинках, що вільно плавають у рідині.
                           
У 1993 році Мунгі Бавенді (Moungi Bawendi) здійснив революцію в хімічному виробництві квантових точок, у результаті чого отримали майже ідеальні частинки. Ця висока якість була необхідною для їх використання в програмах.
                                                
Тепер квантові точки освітлюють комп’ютерні монітори та екрани телевізорів на основі технології QLED. Вони також додають нюанси світлу деяких світлодіодних ламп, і біохіміки та лікарі використовують їх для картографування біологічних тканин.

Таким чином, квантові точки приносять найбільшу користь людству. Дослідники вважають, що в майбутньому вони зможуть сприяти створенню гнучкої електроніки, крихітних датчиків, більш тонких сонячних елементів і зашифрованого квантового зв’язку – тому ми тільки почали досліджувати потенціал цих крихітних частинок.

Наведемо дуже коротко деякі дані про лауреатів.
                       
Мунгі Г. Бавенді, народився 1961 року в Парижі, Франція. Доктор філософії 1988 року в Чиказькому університеті, Іллінойс, США. Професор Массачусетського технологічного інституту (MIT), Кембридж, Массачусетс, США.

Луї Е. Брус, народився 1943 року в Клівленді, Огайо, США. Доктор філософії 1969 року в Колумбійському університеті, Нью-Йорк, штат Нью-Йорк, США. Професор Колумбійського університету, Нью-Йорк.

Олексій Єкімов, народився в 1945 році в колишньому СРСР. Доктор філософії 1974 року в Фізико-технічному інституті імені Іоффе, Санкт-Петербург, Росія. Раніше головний науковий співробітник Nanocrystals Technology Inc., Нью-Йорк, штат Нью-Йорк, США.

Мунгі Бавенді, Луї Брус і Олексій Єкімов

Хіміки давно мріяли повністю зрозуміти й оволодіти хімічними інструментами життя – білками. Тепер ця мрія здійснилася. Деміс Хассабіс (Demis Hassabis) і Джон М. Джампер (John M. Jumper) успішно використали штучний інтелект, щоб передбачити структуру майже всіх відомих білків. Девід Бейкер (David Baker) навчився конструювати будівельні блоки життя та створювати абсолютно нові білки. Потенціал їхніх відкриттів величезний.

Щоб зрозуміти виклики, які подолали цьогорічні лауреати, треба озирнутися на світанок сучасної біохімії.

Хіміки з дев’ятнадцятого століття знали, що білки важливі для життєвих процесів, але лише до 1950-х років хімічні інструменти стали достатньо точними, щоб дослідники почали досліджувати білки більш детально. Кембриджські дослідники Джон Кендрю (John Kendrew) та Макс Перуц (Max Perutz) зробили новаторське відкриття, коли наприкінці десятиліття вони успішно використали метод під назвою рентгенівська кристалографія, щоб представити перші тривимірні моделі білків.

У 1961 р. Крістіан Анфінсен (Christian Anfinsen), американський вчений, дійшов висновку, що тривимірна структура білка повністю регулюється послідовністю амінокислот у білку.

Однак логіка Анфінсена містила парадокс, на який звернув увагу інший американець, Сайрус Левінталь (Cyrus Levinthal) у 1969 р. Він підрахував, що навіть якщо білок складається лише зі 100 амінокислот, теоретично білок може мати принаймні 1047 різних тривимірних структур. Якби ланцюг амінокислот згортався випадковим чином, знадобилося б більше часу, ніж вік Всесвіту, щоб знайти правильну структуру білка. У клітинці це займає лише кілька мілісекунд. Отже, як насправді складається ланцюжок амінокислот?

Відкриття Анфінсена та парадокс Левінталя означають, що згортання є заздалегідь визначеним процесом. І – що важливо – вся інформація про те, як згортання білка має бути присутня в послідовності амінокислот.

Наведені вище висновки привели до ще одного вирішального усвідомлення: якщо хіміки знають амінокислотну послідовність білка, вони повинні мати можливість передбачити тривимірну структуру білка. Це була захоплююча ідея.

Ці логічні висновки стали великим викликом біохімії: проблеми передбачення. Прорив відбувся лише у 2018 році, коли на поле з’явився шаховий майстер, експерт із нейронаук і піонер у галузі АІ Деміс Хассабіс.

У 2018 році він зареєструвався на тринадцятий конкурс CASP. І модель АІ Деміса Хассабіса несподівано перемогла.

Завдяки своїй моделі АІ AlphaFold команда Хассабіса досягла точності майже 60%. Але для успіху передбачення повинно було мати точність 90% у порівнянні з цільовою структурою.

Один відносно новий співробітник мав вирішальні ідеї щодо того, як можна покращити модель АІ. Це був Джон Джампер.

У 2017 р. він почув чутки про те, що Google DeepMind у великій таємниці почала передбачати структури білків. Він надіслав їм заяву про роботу. У  нього були творчі ідеї, як покращити AlphaFold. Джампер і Хассабіс спільно керували роботою, яка докорінно реформувала модель ШІ. Команда також почала використовувати інновацію: нейронні мережі під назвою трансформери.

Команда навчила AlphaFold2 на великій кількості інформації в базах даних про всі відомі білкові структури та послідовності амінокислот, і нова архітектура ШІ почала давати хороші результати.

Тепер представимо іншу половину Нобелівської премії з хімії 2024 року, яка стосується мистецтва створення нових білків з нуля.

Коли Девід Бейкер почав навчатися в Гарвардському університеті, то під час курсу еволюційної біології він натрапив на перше видання тепер уже класичного підручника «Молекулярна біологія клітини». Це змусило його змінити напрямок життя. Наприкінці 1990-х років він почав розробляти комп’ютерне ПЗ, яке могло передбачати структури білків: Rosetta.

Бейкер дебютував на змаганнях CASP у 1998 році, використовуючи Rosetta, і справився дуже добре. Цей успіх призвів до нової ідеї: замість того, щоб вводити амінокислотні послідовності в Rosetta та отримувати білкові структури, вони повинні мати можливість вводити бажану білкову структуру та отримувати пропозиції щодо її амінокислотної послідовності, що дозволить їм створювати абсолютно нові білки.

Дослідницька група намалювала білок із абсолютно новою структурою, а потім попросила Rosetta обчислити, який тип амінокислотної послідовності може призвести до бажаного білка. Виявилося, що Rosetta дійсно може конструювати білки. Бейкер опублікував своє відкриття в 2003 р.

Модель АІ стала золотою жилою для дослідників. Раніше для отримання білкової структури часто потрібні були роки, якщо вона взагалі була отримана. Тепер це можна зробити за кілька хвилин.

Здатність створювати білки, наповнені новими функціями може призвести до появи нових наноматеріалів, цільових фармацевтичних препаратів, швидшої розробки вакцин, мінімальної кількості сенсорів і більш екологічної хімічної промисловості – це лише кілька застосувань, які принесуть найбільшу користь людству.

Дослідники Массачусетського технологічного інституту (МТІ) розробили протокол безпеки, який використовує квантові властивості світла, щоб гарантувати, що дані, які надсилаються на хмарний сервер і з нього, залишаються в безпеці під час обчислень глибокого навчання.

Моделі глибокого навчання настільки інтенсивні з точки зору обчислень, що вимагають використання потужних серверів на основі хмари.

Така залежність від хмарних обчислень створює значні ризики безпеці, особливо в таких сферах, як охорона здоров’я.

Щоб вирішити цю нагальну проблему, дослідники МТІ розробили протокол безпеки, який використовує квантові властивості світла, щоб гарантувати, що дані, які надсилаються на хмарний сервер і з нього, залишаються в безпеці під час обчислень глибокого навчання.

Завдяки кодуванню даних у лазерне світло, протокол використовує фундаментальні принципи квантової механіки, унеможливлюючи зловмисникам копіювання чи перехоплення інформації без виявлення.

«Моделі глибокого навчання, такі як GPT-4, мають безпрецедентні можливості, але вимагають величезних обчислювальних ресурсів. Наш протокол дозволяє користувачам використовувати ці потужні моделі без шкоди для конфіденційності їхніх даних або пропрієтарного характеру самих моделей», — говорить Кфір Сулімані (Kfir Sulimany), постдок Массачусетського технологічного інституту в Дослідницькій лабораторії електроніки (RLE) і провідний автор статті з цього приводу.

Сценарій хмарних обчислень, на якому зосередилися дослідники, включає дві сторони — клієнта, який має конфіденційні дані, і центральний сервер, який керує моделлю глибокого навчання.

Клієнт хоче використовувати модель глибокого навчання, щоб зробити прогноз, наприклад, чи є у пацієнта рак на основі медичних зображень, не розкриваючи інформацію про пацієнта.

У цьому сценарії конфіденційні дані повинні бути надіслані для створення прогнозу. Однак під час процесу дані пацієнта повинні залишатися в безпеці.

Крім того, сервер не хоче розкривати будь-які частини власної моделі, на створення якої така компанія, як OpenAI, витратила роки та мільйони доларів.

Квантова інформація, з іншого боку, не може бути ідеально скопійована. Дослідники використовують цю властивість, відому як принцип заборони клонування, у своєму протоколі безпеки.

Для протоколу дослідників сервер кодує ваги глибокої нейронної мережі в оптичне поле за допомогою лазерного світла.

Сервер передає ваги мережі клієнту, який виконує операції для отримання результату на основі своїх особистих даних. Дані залишаються захищеними від сервера.

У той же час протокол безпеки дозволяє клієнту вимірювати лише один результат і запобігає копіювання вагових коефіцієнтів через квантову природу світла.

Завдяки теоремі про заборону клонування клієнт неминуче застосовує дрібні помилки до моделі під час вимірювання її результату. Коли сервер отримує від клієнта залишкове світло, він може виміряти ці помилки, щоб визначити, чи стався витік інформації. Важливо, що доведено, що це залишкове світло не розкриває дані клієнта.

Сучасне телекомунікаційне обладнання зазвичай покладається на оптичні волокна для передачі інформації через необхідність підтримки великої пропускної здатності на великих відстанях. Оскільки це обладнання вже містить оптичні лазери, дослідники можуть кодувати дані у світло для свого протоколу безпеки без будь-якого спеціального обладнання.

Коли вони перевірили свій підхід, дослідники виявили, що він може гарантувати безпеку для сервера та клієнта, дозволяючи глибокій нейронній мережі досягти 96-відсоткової точності.

«Ви можете бути гарантовані, що це безпечно в обох напрямках — від клієнта до сервера та від сервера до клієнта», — говорить Сулімані.

У майбутньому дослідники хочуть вивчити, як цей протокол можна застосувати до техніки під назвою федеративне навчання, де кілька сторін використовують свої дані для навчання центральної моделі глибокого навчання. Його також можна використовувати в квантових операціях замість класичних операцій, які вони вивчали для цієї роботи, що може забезпечити переваги як у точності, так і в безпеці.

Новий протокол безпеки захищає хмарні обчислення

Дослідники з Університету Пердью розробили методику захоплення атомів лугу (цезію) в інтегровану фотонну схему, яка поводиться як транзистор для фотонів, подібно до електронних транзисторів. ʼ

Ця розробка демонструє потенціал побудови квантової мережі на основі інтегрованих нанофотонних схем із холодними атомами.

«Ми розробили техніку використання лазерів для охолодження та щільного захоплення атомів на інтегрованій нанофотонній ланцюзі, де світло поширюється в маленькому фотонному хвилеводі, який більш ніж у 200 разів тонший за людську волосину», - пояснює Чень-Лун Хун (Chen-Lung Hung), також член Квантового науково-технічного інституту Пердью.

Ці атоми «заморожені» до -459,67 градусів за Фаренгейтом, або лише на 0,00002 градуси вище абсолютного нуля температури, і, по суті, стоять нерухомо. При такій низькій температурі атоми можуть бути захоплені «тягаючим променем», спрямованим на фотонний хвилевід, і розташовані над ним на відстані, набагато меншій за довжину хвилі світла, приблизно 300 нанометрів. На такій відстані атоми можуть дуже ефективно взаємодіяти з фотонами, обмеженими у фотонному хвилеводі.

Ключовий аспект функції, який команда демонструє в цьому дослідженні, полягає в тому, що мікрокільцевий резонатор із зв’язаним атомом служить «транзистором» для фотонів. Вони можуть використовувати ці захоплені атоми, щоб перекрити потік світла через схему. Якщо атоми знаходяться в правильному стані, фотони можна передавати через ланцюг. Фотони повністю блокуються, якщо атоми знаходяться в іншому стані. Чим сильніше атоми взаємодіють з фотонами, тим ефективнішими є ці ворота.

«Ми захопили до 70 атомів, які могли б разом з’єднуватися з фотонами та контролювати їх передачу на інтегрованому фотонному чіпі. Раніше це не було реалізовано», — каже Сіньчао Чжоу (Xinchao Zhou), аспірант кафедри фізики та астрономії Пердью.

Уся дослідницька група базується в Університеті Пердью в Вест-Лафайєтті, Індіана. Хун був головним дослідником і контролював проект. Чжоу провів експеримент із захоплення атомів на інтегральній схемі, яку розробив і виготовив власноруч Цзу-Хань Чан (Tzu-Han Chang), колишній постдоктор, який зараз працює в Центрі нанотехнологій Бірка. Критичні частини експерименту поставили Чжоу та Хікару Тамура (Hikaru Tamura), колишній постдокторант у Пердью під час дослідження, а зараз доцент Інституту молекулярної науки в Японії.

Платформа, продемонстрована в цьому дослідженні, може забезпечити фотонний зв’язок для майбутніх розподілених квантових обчислень на основі нейтральних атомів. Він також може служити новою експериментальною платформою для вивчення колективних взаємодій світла та матерії та для синтезу квантово вироджених захоплених газів або ультрахолодних молекул.

«На відміну від електронних транзисторів, які використовуються в повсякденному житті, наша інтегрована фотонна схема з атомним зв’язком підкоряється принципам квантової суперпозиції, — пояснює Хун. - Це дозволяє нам маніпулювати та зберігати квантову інформацію в захоплених атомах, які є квантовими бітами, відомими як кубіти. Наша схема також може ефективно передавати збережену квантову інформацію в фотони, які можуть «літати» через фотонні дроти та волоконну мережу для зв’язку з іншими атомно-зв’язаними інтегральними схемами або атомно-фотонними інтерфейсами. Наше дослідження демонструє потенціал для побудови квантової мережі на основі інтегрованих нанофотонних схем з холодними атомами».

Команда працювала над цією областю досліджень протягом кількох років і планує активно її продовжувати. Майбутнє для цього дослідження перспективне з багатьма напрямками для вивчення.                                     

    Фотонна схема, продемонстрована командою

У своїй недавній роботі дослідники з Університету Твенте в Нідерландах отримали важливу інформацію про фотони. Ці частини «поводяться» на дивовижно більш різноманітно, ніж електроні, що оточують атоми, і водночас ними достатньо легше керувати. Ці ідеї мають широке застосування від розумного світлодіодного освітлення до нових фотонних бітів інформації, керованих квантовими схемами, до чутливих нових наносенсорів.                                       

В атомах елементарні частинки, які називаються електронами, займають область навколо ядра у формах, які називаються орбіталями. Ці орбіти забезпечують ймовірність перебування електрона в певній області простору. Квантова механіка визначає форми та енергії цих орбіталей. Подібно до електронів, дослідники описують область простору, де, швидше за все, знаходиться фотон, також з орбіталями.

Вчені з Університету Твенте досліджували ці фотонні орбіти та виявили, що за допомогою фактичного проектування конкретних матеріалів вони можуть створити й контролювати ці орбіти з великою різноманітністю форм і симетрії. Ці результати мають ефективне застосування в передових оптичних технологіях і квантових обчисленнях.

Перший автор Козон (Kozon) пояснює: «У підручниках з хімії електрони завжди обертаються навколо атомного ядра в центрі орбіталі. Отже, форма електронної орбіти не може сильно відрізнятися від ідеальної сфери. З фотонами орбіти можуть мати будь-яку дику форму, яку ви проектуєте, комбінуючи оптичні матеріали в різних розроблених просторових розташуваннях».

Дослідники провели обчислювальне дослідження, щоб зрозуміти, як виводяться фотони, коли вони обмежені певною 3D-наноструктурою, що складається з крихітних пор (фотонні кристали). Ці порожнини навмисно розроблені так, щоб мати дефекти, створюючи надбудову, яка ізолює фотонні стани від навколишнього середовища. Фізики Вос (Vos) і Лагендайк (Lagendijk) захоплюються: «Враховуючи багатий набір інструментів у нанотехнологіях, швидше проектувати чудові наноструктури з новими фотонними орбіталями, ніж модифікувати атоми для реалізації нових електронних орбіталей і хімії».
                        
Фотонні орбіталі важливі для розробки передових оптичних технологій, таких як ефективне освітлення, квантові обчислення та чутливі фотонні датчики. Дослідники вивчали також, як ці наноструктури підвищують локальну щільність оптичних станів, що важливо для створення квантової електродинаміки поверхні. Вони виявили, що структури з меншими дефектами виявляють більше покращення, ніж структури з більшими дефектами. Це робить їх більш придатними для інтеграції квантових точок і створення мережі з окремих фотонів.

Кілька фотонних орбіталей виникають у фотонно-кристалічній суперґратці

Механічні обчислення кодують інформацію в деформованих станах механічних систем, таких як мультистабільні структури.

Однак досягнення стабільної механічної пам'яті в більшості мультистабільних систем залишається складним і часто обмежується двійковою інформацією.

Вчені з Університету Северної Кароліни повідомили про використання кінематичної біфуркації зв’язку в жорстких механізмах на основі куба з еластичністю для створення трансформованих мультистабільних механічних обчислювальних метаструктур зі стабільною механічною пам’яттю високої щільності.

Просте розтягування плоскої метаструктури утворює мультистабільну гофровану платформу. Це дозволяє здійснювати незалежне механічне або магнітне приведення в дію індивідуального бістабільного елемента, служачи спливаючими вокселями для відображення або двійкових блоків для різних завдань, таких як запис інформації, стирання, читання, шифрування та механічні обчислення. Вивільнення попередньо розтягнутої деформації стабілізує задану інформацію, стійку до зовнішніх механічних або магнітних збурень, тоді як повторне розтягування дає можливість редагованої механічної пам’яті, схожої на вибіркові зони або форматування диска для стирання та перезапису інформації. Крім того, платформу можна перепрограмувати та трансформувати в багатошарову конфігурацію для досягнення пам’яті високої щільності.

На відміну від електронних систем, інформація в механічних системах може бути закодована у вигляді деформованих патернів, унікальних властивостей складових матеріалів та/або структурних форм.

Останні досягнення в нових механічних системах, зокрема мультистабільних системах, таких як механічні метаматеріали, структури орігамі/кірігамі та  механізми, пропонують нетрадиційні платформи для механічних сховищ, взаємодії інформації, шифрування та механічних обчислень.

Бістабільний механічний блок, наприклад, демонструє два стабільні стани, що представляють механічні двійкові цифри (біти), «0» або «1», для зчитування та зберігання інформації. Основні структурні форми бістабільних одиниць включають обмежені балки, вигнуті пластини, купольні оболонки, структури орігамі/кірігамі та повітряні кулі. Періодична мозаїка цих бістабільних одиниць у конфігураціях 1D та 3D призводить до створення мультистабільної механічної обчислювальної системи з експоненціально збільшеним стабільним станом. Це розширення надає величезний простір для обробки інформаційних бітів.

Вчені повідомили про розробку стабільної багатофункціональної механічної обчислювальної метаструктури. Вона базується на механізмі зі стабільною механічною пам’яттю високої щільності та високою можливістю перепрограмування.

Розроблена метаструктура побудована з ієрархічної планарної мозаїки реконфігурованих жорстких будівельних блоків на основі куба [рис. 1A (i)]. Кожен будівельний блок складається з 2 × 2 одиничних клітин і субодиниць (рис. 1B). Кубики з’єднані по краях за допомогою еластичних поворотних шарнірів, утворюючи гнучкі замкнуті механізми як у будівельних блоках, так і в елементарних комірках для реконфігурації форми (рис. 1B).

Одновісне розтягування плоскої метаструктури призводить як до бістабільного, так і до мультистабільного стану з періодичними гофрованими поверхневими особливостями [рис. 1A (ii)]. Выявлено, що всі ребристі сегменти можуть бути розроблені так, щоб бути бістабільними в попередньо розтягнутому стані. Кожен бістабільний елемент може діяти як незалежна двійкова одиниця, легко та оборотно піднімаючись (стан «1») або опускаючись (стан «0») шляхом замикання під дією механічних або магнітних впливів поза площиною [рис. 1A (iii) і рис. S1, від A до C]. Такі фізичні двійкові елементи можна використовувати для комбінаторного запису інформації [рис. 1, A (iv) і C (i-iii)], стирання, читання та шифрування, а також вокселів для відображення інформації (рис. 1D). Інформацію можна стабільно зберігати, звільнивши попереднє напруження [рис. 1A (iv) і рис. S1D].

Крім бінарних одиниць, бістабільна метаструктура може бути далі перепрограмована в багаторівневі покрокові спливаючі структури для зберігання багатовимірної інформації [рис. 1C (iv)].

        Мультистабільні та трансформовані  метаструктури зі стабільною механічною пам’яттю високої щільності

Більшість людей не могли відрізнити ChatGPT від людини-респондента, що свідчить про те, що знаменитий тест Тюрінга було пройдено вперше.
Ми взаємодіємо зі штучним інтелектом (ШІ) в Інтернеті не тільки більше, ніж будь-коли, але й більше, ніж ми усвідомлюємо, тому дослідники попросили людей поспілкуватися з чотирма агентами, включаючи одну людину та три різні типи моделей ШІ, щоб побачити, чи можуть вони сказати, що є різниця.

«Тест Тюрінга», вперше запропонований комп’ютерним науковцем Аланом Тюрінгом як «гра в імітацію» в 1950 році, визначає, чи неможливо відрізнити здатність машини демонструвати інтелект від здатності людини. Щоб машина пройшла тест Тюрінга, вона повинна мати можливість спілкуватися з кимось і обдурити їх, щоб вони подумали, що це людина.

Вчені вирішили відтворити цей тест, попросивши 500 людей поговорити з чотирма респондентами, включаючи людину та програму штучного інтелекту 1960-х років ELIZA, а також GPT-3.5 і GPT-4, штучний інтелект, який підтримує ChatGPT. Розмови тривали п'ять хвилин, після чого учасники повинні були сказати, чи вірять вони, що розмовляють з людиною чи штучним інтелектом. У дослідженні, опублікованому 9 травня на сервері попереднього друку arXiv, вчені виявили, що учасники оцінили GPT-4 як людину в 54% випадків, ELIZA, система, попередньо запрограмована відповідями, але без великої мовної моделі (LLM ) або архітектури нейронної мережі, було визнано людиною лише у 22% випадків. GPT-3.5 набрав 50%, тоді як учасник-людина набрав 67%.
                                                                                           
«Машини можуть спілкуватися, об’єднуючи правдоподібні постфактум виправдання речей, як це роблять люди, — сказала Live Science Нелл Уотсон (Nell Watson), дослідник ШІ з Інституту інженерів з електротехніки та електроніки (IEEE). - Вони можуть піддаватися когнітивним упередженням, обдурювати їх і маніпулювати ними, і вони стають все більш оманливими. Усі ці елементи означають, що в системах штучного інтелекту виявляються людські недоліки та дивацтва, що робить їх більш схожими на людину, ніж попередні підходи, які мали трохи більше, ніж список готових відповідей".

Дослідження, яке базується на десятиліттях спроб змусити агентів штучного інтелекту пройти тест Тюрінга, підтвердило загальне занепокоєння, що системи штучного інтелекту, які вважаються людьми, матимуть «широкопоширені соціальні та економічні наслідки».

Вчені також стверджують, що тест Тюрінга піддається обґрунтованою критикою за надто спрощений підхід, яка вказує, що «стилістичні та соціально-емоційні чинники відіграють більшу роль у проходженні тесту Тюрінга, ніж традиційні уявлення про інтелект». Це свідчить про те, що вчені шукали машинний інтелект не в тому місці.

«Так далеко заходить лише сирий інтелект. Що дійсно має значення, так це бути достатньо розумним, щоб зрозуміти ситуацію, навички інших і мати емпатію, щоб з’єднати ці елементи воєдино. Здібності — це лише мала частина цінності ШІ — їхня здатність розуміти цінності, переваги та межі інших також важливі. Саме ці якості дозволять ШІ служити вірним і надійним консьєржем у нашому житті».

Уотсон сказала, що дослідження представляє виклик для майбутньої взаємодії людини і машини, і що ми будемо ставати все більш параноїдальними щодо справжньої природи взаємодії, особливо в делікатних питаннях. Вона додала, що дослідження підкреслює, як ШІ змінився в епоху GPT.

«ELIZA була обмежена стандартними відповідями, що значно обмежувало її можливості. Вона могла ввести когось в оману на п’ять хвилин, але незабаром обмеження стануть очевидними, — сказала вона. - Мовні моделі є надзвичайно гнучкими, здатними синтезувати відповіді на широкий спектр тем, говорити окремими мовами чи соціолектами та відображати себе як керовану характером особистість і цінності. Це величезний крок уперед від чогось, запрограмованого вручну людиною, хоч як спритно й обережно».

Уявіть портативний 3D-принтер, який ви можете тримати на долоні. Крихітний пристрій може дозволити користувачеві швидко створювати налаштовані недорогі об’єкти на ходу, як-от кріплення для ремонту хиткого колеса велосипеда або компонент для критичної медичної операції.

Дослідники з Массачусетського технологічного інституту та Техаського університету в Остіні зробили важливий крок до втілення цієї ідеї в реальність, продемонструвавши перший 3D-принтер на основі мікросхем. Їхній пристрій для підтвердження концепції складається з одного фотонного чіпа міліметрового масштабу, який випромінює реконфігуровані промені світла в лунку зі смоли, яка твердне в тверду форму, коли на неї потрапляє світло.

Прототип мікросхеми не має рухомих частин, натомість покладається на масив крихітних оптичних антен для керування променем світла. Промінь спрямовується у рідку смолу, яка була розроблена для швидкого затвердіння під впливом довжини хвилі променя видимого світла.

Поєднавши кремнієву фотоніку та фотохімію, міждисциплінарна дослідницька група змогла продемонструвати чіп, який може спрямовувати світлові промені для 3D-друку довільних двовимірних візерунків, включаючи літери M-I-T. Фігури можна повністю сформувати за лічені секунди.

У довгостроковій перспективі вчені передбачають систему, у якій фотонний чіп розташований на дні лунки зі смолою та випромінює тривимірну голограму видимого світла, швидко затверджуючи весь об’єкт за один крок.

Цей тип портативного 3D-принтера може мати багато застосувань, наприклад, дозволити клініцистам створювати індивідуальні компоненти медичних пристроїв або дозволити інженерам створювати швидкі прототипи на робочому місці.

Ця система повністю переосмислює те, що таке 3D-принтер. Це вже не велика коробка, яка розміщується на лаві в лабораторії та створює об’єкти, а щось портативне. Захоплююче думати про нові програми, які можуть з’явитися в результаті цього, і про те, як може змінитися сфера 3D-друку. Експерти з кремнієвої фотоніки, група Notaros раніше розробила інтегровані системи з фазованою оптичною решіткою, які спрямовують пучки світла за допомогою ряду мікророзмірних антен, виготовлених на мікросхемі за допомогою процесів виробництва напівпровідників. Прискорюючи або затримуючи оптичний сигнал з обох боків антенної решітки, вони можуть переміщувати промінь випромінюваного світла в певному напрямку.

Такі системи є ключовими для датчиків лазерних локаторів (лідарів), які складають карту свого оточення, випромінюючи інфрачервоні промені світла, які відбиваються від сусідніх об’єктів. Останнім часом група зосередилася на системах, які випромінюють і спрямовують видиме світло для додатків доповненої реальності.

Їм було цікаво, чи можна використовувати такий пристрій для 3D-принтера на основі мікросхем.

Приблизно в той самий час, коли вони почали мозковий штурм, Page Group в UT Austin вперше продемонструвала спеціальні смоли, які можна швидко затвердіти за допомогою довжин хвиль видимого світла. Це була відсутня частина, завдяки якій 3D-принтер на основі мікросхем став реальністю.

«Фотостверджувані смоли дуже важко повністю їх затвердіти в інфрачервоному випромінюванні, де в минулому для лідарів працювали інтегровані системи з фазованою оптичною решіткою, — каже ведучий автор Сабріна Корсетті (Sabrina Corsetti). - Тут ми зустрічаємося посередині між стандартною фотохімією та кремнієвою фотонікою, використовуючи смоли, що полімеризуються видимим світлом, і мікросхеми, що випромінюють видиме світло, для створення цього 3D-принтера на основі мікросхем. Ви маєте це злиття двох технологій у абсолютно нову ідею».

Їхній прототип складається з одного фотонного чіпа, що містить масив оптичних антен товщиною 160 нанометрів.

При живленні від стороннього лазера антени випромінюють керований промінь видимого світла в отвір фотостверджуваної смоли. Дослідники використовують електричні сигнали для немеханічного керування світловим променем, змушуючи смолу твердіти, де б промінь не потрапляв на неї.

Але ефективна модуляція світла видимої довжини хвилі, яка передбачає зміну його амплітуди та фази, особливо складна. Один з поширених методів вимагає нагрівання мікросхеми, але це неефективно та займає багато фізичного простору.

Замість цього дослідники використовували рідкі кристали для створення компактних модуляторів, які вони інтегрували в чіп. Унікальні оптичні властивості матеріалу дозволяють модуляторам бути надзвичайно ефективними та мати довжину лише близько 20 мікрон.

Дослідники активно налаштовують модулятори за допомогою електричного поля, яке переорієнтовує молекули рідкого кристала в певному напрямку. Таким чином вони можуть точно контролювати амплітуду та фазу світла, що направляється на антени.

Але формування і управління пучком – це лише половина справи. Взаємодія з новою фотостверджуваною смолою була зовсім іншою проблемою.

Зрештою, група використала свій прототип для 3D-друку довільних двовимірних форм за лічені секунди.

Створюючи цей прототип, вони хочуть рухатися до розробки системи, схожої на ту, яку вони спочатку концептуалізували — чіп, який випромінює голограму видимого світла в смоляній лунці, щоб забезпечити об’ємний 3D-друк лише за один крок.

Крихітний пристрій може дозволити користувачеві швидко створювати налаштовані недорогі об’єкти на ходу, як-от кріплення для ремонту хиткого колеса велосипеда або компонент для критичної медичної операції

Дослідники продемонстрували новий інтелектуальний фотонний обчислювальний чіп, який може обробляти, передавати та реконструювати зображення сцени за наносекунди. Цей прогрес відкриває двері для надзвичайно високошвидкісної обробки зображень, яка може принести користь граничному інтелекту для додатків машинного зору, таких як автономне водіння, інспекція промисловості та роботизоване бачення.

«Зйомка, обробка та аналіз зображень для завдань на периферії, таких як автономне водіння, наразі обмежені швидкостями на рівні мілісекунд через необхідність оптико-електронних перетворень, — сказав керівник дослідницької групи Лу Фан (Lu Fang) з університету Цінхуа в Китаї. - Наш новий чіп може виконувати всі ці процеси лише за наносекунди, зберігаючи їх усі в оптичному домені. Це може бути використано для значного покращення або навіть заміни традиційної архітектури отримання датчиків із подальшою постобробкою ШІ».

У Optica, журналі Optica Publishing Group для високовпливових досліджень, дослідники описують новий чіп, який вони називають чіпом оптичного паралельного обчислювального масиву (OPCA). Вони показують, що OPCA має пропускну здатність обробки до ста мільярдів пікселів і час відгуку лише 6 нс, що приблизно на шість порядків швидше, ніж поточні методи. Вони також використовували чіп для створення оптичної нейронної мережі, яка об’єднує сприйняття зображення, обчислення та реконструкцію.

«Чіп і оптична нейронна мережа можуть підвищити ефективність обробки складних сцен під час інспекції промисловості та допомогти просунути технологію інтелектуальних роботів на вищий рівень когнітивного інтелекту», — сказав Вей Ву (Wei Wu), один із авторів статті. «Ми вважаємо, що це також може революціонізувати граничний інтелект».

Машинний зір — який використовує камери, датчики зображення, освітлення та комп’ютерні алгоритми для захоплення, обробки та аналізу зображень для конкретних завдань — традиційно передбачає перетворення оптичної інформації в цифрові електричні сигнали за допомогою датчиків. Потім ці сигнали передаються по оптичним волокнам для передачі даних на великі відстані та виконання завдань у низхідній мережі. Однак часте перетворення між оптичними та електричними сигналами разом із обмеженими досягненнями в електронних процесорах стало основним обмеженням для покращення швидкості та здатності обробки машинного зору.

«Світ вступає в епоху штучного інтелекту, але штучний інтелект дуже вичерпує час і енергію, — сказав Фан. Тим часом зростання периферійних пристроїв, таких як смартфони, інтелектуальні автомобілі та ноутбуки, призвело до вибухового зростання даних зображень, які потрібно обробляти, передавати та відображати. Ми працюємо над удосконаленням машинного зору шляхом інтеграції зондування та обчислень в оптичну область, що особливо важливо для периферійних обчислень і для створення більш стійких програм штучного інтелекту».

Складність отримання й аналізу зображень на одному чіпі в оптичній області полягає в тому, щоб знайти спосіб перетворити світло вільного простору, яке використовується для зображення, у світлову хвилю, керовану чіпом. Дослідники досягли цього, розробивши мікросхему, яка складається з сенсорно-обчислювальної матриці спеціально розроблених кільцевих резонаторів, які перетворюють зображення оптичної інтенсивності у вільному просторі — двовимірне представлення інтенсивності світла сцени — на когерентний світловий сигнал, який потім можна направляти на чіпі. Масив мікролінз покращує процес, фокусуючи сцену на чіпі OPCA. Архітектура чіпа дозволила дослідникам створити наскрізну багатохвильову оптичну нейронну мережу для з’єднання модульованого світла на чіпі в широкосмуговий оптичний хвилевід, де модульоване світло додається спектрально.

Мультиспектральні оптичні виходи потім можна використовувати для завдань класифікації або для створення повністю оптичної реконструкції зображення. «Оскільки кожен сенсорно-обчислювальний елемент цього чіпа можна реконфігурувати, кожен з них може працювати як програмований нейрон, який генерує світлову модуляцію на основі вхідних даних і ваги, — сказав Фан. - Нейронна мережа з’єднує всі сенсорні обчислювальні нейрони з одним хвилеводом, сприяючи повному оптичному зв’язку між вхідною інформацією та виходом».

Щоб продемонструвати можливості чіпа OPCA, дослідники показали, що його можна використовувати для класифікації рукописного зображення та виконання згортки зображення — процесу, який застосовує до зображення фільтр для виділення особливостей. Висновки показали, що архітектура чіпа може ефективно завершувати стиснення інформації та реконструкцію сцени, що вказує на його потенціал для широкого застосування.

«Ми сподіваємося, що машинний зір буде поступово вдосконалюватися, щоб він ставав швидшим і енергоефективним завдяки використанню світла як для вимірювання, так і для обчислень», — сказав Фан.

Дослідники розробили новий інтелектуальний чіп, який може обробляти, передавати та реконструювати зображення сцени протягом наносекунд