Исследователи продемонстрировали новые устройства на основе чипов, которые содержат все оптические компоненты, необходимые для распределения квантовых ключей при одновременном повышении реальной безопасности.

Быстрая и экономически эффективная платформа готова к внедрению чрезвычайно защищенного обмена данными, который можно использовать для защиты всего, от электронной почты до информации онлайн-банкинга.

Достижения в области компьютерных технологий вскоре позволят сделать современные методы шифрования онлайн-данных уязвимыми для прослушивания. Квантовое распределение ключей предлагает непроницаемое шифрование с использованием квантовых свойств света для генерации безопасных случайных ключей между пользователями для шифрования и дешифрования их онлайн-данных. Хотя распределение квантовых ключей совместимо с большинством оптоволоконных сетей, для реализации этого метода шифрования за пределами лаборатории необходимы более надежные и менее дорогие устройства.

В журнале «Оптика» (OSA) исследователи сообщают, что безопасный обмен квантовыми ключами может быть осуществлен между двумя устройствами на основе микросхем - размером всего 6 х 2 миллиметра - потенциально по оптоволоконной сети с каналами до 200 км в длину.

«Устройства на основе чипов значительно уменьшают барьер для широкого распространения квантово-защищенных коммуникаций, обеспечивая надежную, массово производимую платформу, - сказал руководитель исследовательской группы Генри Семененко из Университета Бристоля, Великобритания. - В будущем эти устройства станут частью стандартного бытового подключения к Интернету, обеспечивающего безопасность наших данных независимо от достижений в области компьютерных технологий».

Новые устройства распределения квантовых ключей основаны на той же полупроводниковой технологии, что и в каждом смартфоне и компьютере. Вместо проводов для направления электричества они содержат очень сложные схемы, которые управляют слабыми световыми сигналами, необходимыми для распределения квантовых ключей. Наноразмерные компоненты в микросхемах позволяют радикально уменьшить размер и энергопотребление квантовых систем связи, сохраняя при этом высокую производительность, необходимую для современных сетей.

«Благодаря плотно упакованным оптическим компонентам наша основанная на микросхемах платформа обеспечивает уровень точного управления и сложности, которых невозможно достичь с помощью альтернатив, - сказал Семененко. - Это позволит пользователям получить доступ к защищенной сети с помощью экономичного устройства того же размера, что и маршрутизаторы, которые мы используем сегодня для доступа к Интернету».

Исследователи разработали новую платформу для устранения трудностей в общегородских сетях и радикального сокращения количества соединений, требуемых между пользователями. Они продемонстрировали свои новые устройства на основе чипов с помощью эксперимента с проверкой принципа, в котором они эмулировали 200-километровую оптоволоконную сеть в Лаборатории квантовых инженерных технологий Университета Бристоля. Используя два независимых чиповых устройства, они показали, что частота ошибок и скорость сопоставимы с современными коммерческими компонентами.

«Мы показали, что эти устройства на основе чипов могут использоваться для создания квантовых эффектов, даже когда фотоны генерируются различными устройствами, - сказал Семененко. - Это жизненно важно для квантовых сетей, где каждый пользователь будет управлять своими собственными устройствами, которые распределены по городу».

Исследователи планируют сделать систему более практичной за счет разработки аппаратного обеспечения для конкретного приложения. Затем они будут использовать волоконно-оптическую сеть вокруг города Бристоль, чтобы создать демонстрационную столичную сеть со многими пользователями.

Терагерцевые волны становятся все более важными в науке и технике. Они позволяют обнаруживать свойства будущих материалов, проверять качество автомобильных красок и осуществлять скрининг конвертов. Но генерирование этих волн все еще является проблемой.

Команда в Центре Гельмгольца в Дрездене-Россендорфе (HZDR), Технический университет Дрездена и Университет Констанцы в настоящее время добились значительных успехов. Исследователи разработали германиевый компонент, который генерирует короткие терагерцевые импульсы с преимущественным свойством: импульсы имеют экстремальный широкополосный спектр и, следовательно, выдают много разных терагерцевых частот одновременно. Поскольку стало возможным производство компонентов с использованием методов, уже освоенных полупроводниковой промышленностью, разработка обещает широкий спектр применений в области исследований и технологий.

Терагерцевые волны, как и свет, относятся к категории электромагнитного излучения. В спектре они попадают прямо между микроволнами и инфракрасным излучением. Но в то время как микроволны и инфракрасное излучение давно вошли в нашу повседневную жизнь, терагерцевые волны только начинают использоваться. Причина в том, что специалисты смогли построить разумно приемлемые источники для терагерцевых волн только с начала 2000-х годов. Но эти передатчики все еще не совершенны - они относительно большие и дорогие, а излучение, которое они генерируют, не всегда обладает желаемыми свойствами.

Один из установленных методов генерации основан на кристалле арсенида галлия. Если этот полупроводниковый кристалл облучать короткими лазерными импульсами, образуются носители арсенид-галлия. Эти заряды ускоряются путем подачи напряжения, которое обеспечивает генерацию терагерцевой волны - в основном того же механизма, что и в антенне передатчика ОВЧ, где движущиеся заряды создают радиоволны.

Однако этот метод имеет ряд недостатков: «Он может работать только с относительно дорогими специальными лазерами», - объясняет физик из HZDR доктор Харальд Шнайдер (Harald Schneider). - Со стандартными лазерами того типа, который мы используем для оптоволоконной связи, это не работает».

Другим недостатком является то, что кристаллы арсенида галлия генерируют только относительно узкополосные терагерцевые импульсы и, таким образом, ограниченный частотный диапазон, что значительно сужает область применения.

Вот почему д-р Шнайдер и его команда делают ставку на другой материал - полупроводниковый германий. «С германием мы можем использовать менее дорогие лазеры, известные как волоконные лазеры, - говорит д-р Шнайдер. - Кроме того, кристаллы германия очень прозрачны и, таким образом, способствуют излучению очень широкополосных импульсов». Но до сих пор у них была проблема: если вы облучаете чистый германий коротким лазерным импульсом, требуется несколько микросекунд, прежде чем исчезнет электрический заряд в полупроводнике. Только тогда кристалл сможет поглотить следующий лазерный импульс. Современные лазеры, однако, могут запускать свои импульсы с интервалами в несколько десятков наносекунд - последовательность выстрелов слишком быстрая для германия.

Чтобы преодолеть эту трудность, эксперты искали способ заставить электрические заряды в германии исчезать быстрее. И они нашли ответ в выдающемся драгоценном металле - золоте. «Мы использовали ускоритель ионов, чтобы стрелять атомами золота в кристалл германия, - объясняет коллега Шнайдера доктор Абхишек Сингх (Abhishek Singh). - Золото проникло в кристалл на глубину 100 нанометров». Затем ученые нагревали кристалл в течение нескольких часов при температуре 900 градусов по Цельсию. Термическая обработка обеспечила равномерное распределение атомов золота в кристалле германия.

Успех пришел, когда команда осветила «поперченный» золотом германий ультракороткими лазерными импульсами: носители электрического заряда исчезали в течение двух наносекунд - примерно в тысячу раз быстрее, чем раньше. Образно говоря, золото работает как ловушка, помогая поймать и нейтрализовать заряды. «Теперь кристалл германия может подвергаться бомбардировке лазерными импульсами с высокой частотой повторения и все еще функционировать», - сообщил Сингх.

Новый метод позволяет получать импульсы терагерцевого диапазона с чрезвычайно широкой полосой пропускания: вместо 7 терагерц, использующих установленную технику арсенида галлия, теперь она в десять раз больше - 70 терагерц. Другое преимущество состоит в том, что компоненты германия эффективно могут обрабатываться по той же технологии, что и микрочипы.

Это должно превратить легированный золотом германий в интересный вариант не только для научных применений, таких как детальный анализ инновационных двумерных материалов, к примеру, графена, но также для применений в медицине и экологичых технологиях.

Исследовательская группа во главе с доцентом Симоне Фабиано (Simone Fabiano) из Лаборатории органической электроники Университета Линчёпинга создала органический материал с превосходной проводимостью, который не требует легирования. Они достигли этого путем смешивания двух полимеров с различными свойствами.

Чтобы увеличить проводимость полимеров и таким образом получить более высокую эффективность в органических солнечных элементах, светодиодах и других биоэлектронных применениях, исследователи до сих пор легировали материал различными веществами. Как правило, это делается либо удалением электрона, либо передачей его полупроводниковому материалу с помощью молекулы легирующей примеси, стратегия, которая увеличивает количество зарядов и, следовательно, проводимость материала.

«Мы обычно добавляем наши органические полимеры для улучшения их проводимости и производительности устройства. Процесс некоторое время стабилен, но материал вырождается, и вещества, которые мы используем в качестве легирующих агентов, могут со временем выщелачиваться. Это то, чего мы хотим избежать при любой ценой, например, в приложениях биоэлектроники, где органические электронные компоненты могут дать огромные преимущества в носимой электронике и в качестве имплантатов в теле», - говорит Симоне Фабиано.

Исследовательская группа, включающая ученых из пяти стран, в настоящее время преуспела в объединении двух полимеров, получая проводящие чернила, которые не требуют легирования для проведения электричества. Уровни энергии двух материалов идеально совпадают, так что заряды самопроизвольно переносятся из одного полимера в другой.

«Явление самопроизвольного переноса заряда было продемонстрировано ранее, но только для монокристаллов в лабораторном масштабе. Никто не показал ничего, что можно было бы использовать в промышленном масштабе. Полимеры состоят из крупных и стабильных молекул, которые легко осаждаются из раствора и именно поэтому они хорошо подходят для широкомасштабного использования в качестве чернил в печатной электронике», - говорит Симоне Фабиано.

Полимеры являются простыми и относительно дешевыми материалами и имеются в продаже. Никакие посторонние вещества не выщелачиваются из новой полимерной смеси. Он остается стабильным в течение длительного времени и выдерживает высокие температуры. Эти свойства важны для устройств сбора/хранения энергии, а также для носимой электроники.

«Поскольку они не содержат легирующих агентов, они стабильны во времени и могут быть использованы в сложных условиях. Открытие этого явления открывает совершенно новые возможности для улучшения характеристик светодиодов и солнечных элементов. Это также относится и к другие термоэлектрические применения, и не в последнюю очередь для исследований в области носимой и закрытой электроники», - отметил Симоне Фабиано.

«Мы привлекли ученых из Университета Линчепинга и Технологического университета Чалмерса, а также экспертов из США, Германии, Японии и Китая. Это был действительно большой опыт, чтобы возглавить эту работу, которая является крупным и важным шагом в этой области», - сказал он.

Основное финансирование для исследований поступило от Шведского исследовательского совета и Научного центра Wallenberg Wood. Он также проводился в рамках стратегической инициативы в области современных функциональных материалов, AFM, в Университете Линчепинга.

«По сути, легирование в проводящих полимерах, генерирующих высокую электропроводность, до сих пор достигалось только путем объединения непроводящего легирующего вещества с проводящим полимером. Теперь, впервые сочетание двух проводящих полимеров создает композитную систему, которая Высокая стабильность и высокая проводимость. Это открытие определяет новую важную главу в области проводящих полимеров и вызовет множество новых применений и интерес во всем мире», - сказал профессор Магнус Берггрен (Magnus Berggren), директор Лаборатории органической электроники в Университете Линчепинга.

Симоне Фабиано (справа)

Шаг за шагом ученые находят новые способы расширения закона Мура. Один из них раскрывают путь к интегральным микросхемам с двухмерными транзисторами.

Ученый из Университета Райса и его сотрудники из Тайваня и Китая сообщили в Nature, что они успешно выращивают на подложке листы гексагонального нитрида бора (hBN) в виде кристаллов диаметром два дюйма.

Установленный в микросхемы в качестве диэлектрика между слоями наноразмерных транзисторов hBN преуспел бы в гашении рассеяния и захвата электронов, которые ограничивают эффективность интегральной схемы. Но до сих пор никто не смог сделать идеально упорядоченные кристаллы hBN, которые достаточно велики - в данном случае на подложке - для того, чтобы быть полезными.

Борис Якобсон (Boris Yakobson), теоретик материаловедения в Школе прикладной физики Брауна, является одним из ведущих ученых в исследовании совместно с Лэйн-Юн Ли (Lain-Jong (Lance) Li) из Тайваньской компании по производству полупроводников (TSMC) и его командой. Якобсон и Чих-Пяо Чуу (Chih-Piao Chuu) из TSMC провели теоретический анализ и расчеты основных принципов, чтобы раскрыть механизмы того, что их соавторы видели в экспериментах.

В качестве доказательства концепции производства экспериментаторы из TSMC и Тайваньского национального университета Чао Тун вырастили двухдюймовую двумерную пленку hBN, перенесли ее на кремний и затем поместили слой полевых транзисторов, нанесенных на двумерный дисульфид молибдена, поверх hBN.

«Главное открытие в этой работе заключается в том, что можно получить монокристалл на всей подложке, а затем его можно переместить, - сказал Якобсон. - Тогда можно делать устройства».

Возможность укладывать 2D-слои, каждый из которых имеет миллионы транзисторов, может преодолеть ограничения закона Мура, если они могут быть изолированы друг от друга. Изолятор hBN является основным кандидатом для этой цели из-за его широкой запрещенной зоны.

Чтобы hBN стал идеальным, его атомы должны точно совпадать с атомами на подложке ниже. Исследователи обнаружили, что медь в расположении (111) - число относится к ориентации поверхности кристалла - выполняет свою работу, но только после того, как медь отжигается при высокой температуре на сапфировой подложке и в присутствии водорода.

Отжиг устраняет границы зерен в меди, оставляя монокристалл. Однако, по словам Якобсона, такая идеальная поверхность была бы «слишком гладкой» для обеспечения ориентации hBN.

Опираясь на свой предыдущий опыт, Якобсон предположил, что тепловые флуктуации позволяют меди (111) сохранять ступенчатые террасы по всей ее поверхности, даже когда ее собственные границы зерен устранены. Атомы в этих меандрических «шагах» представляют собой только правильные граничные энергии для связывания и ограничения hBN, который затем растет в одном направлении, в то время как он присоединяется к плоскости меди посредством очень слабой силы Ван-дер-Ваальса.

Из-за ориентации меди горизонтальные атомные плоскости смещены на доли к решетке внизу. «Поверхностные грани выглядят одинаково, но они не являются точными зеркальными близнецами, - объяснил Якобсон. – Есть большее перекрытие со слоем ниже, чем на противоположной стороне».

Это делает энергии связи на каждой стороне медного плато различными на 0,23 В (на каждую четверть нанометра контакта), что достаточно для того, чтобы заставить стыковочные ядра hBN расти в одном направлении, сказал он.

Экспериментальная группа обнаружила, что оптимальная толщина меди составляла 500 нм, что достаточно для предотвращения ее испарения во время роста hBN путем химического осаждения паров аммиака бороводорода на подложке из меди (111)/сапфира.

Ученые в США утверждают, что разработали устройство, которое может генерировать электричество из влаги в воздухе. Устройство, основанное на тонкой пленке электропроводящих белковых нанопроволок, может производить непрерывную электроэнергию в течение примерно 20 часов, прежде чем самозарядится. Исследователи говорят, что такая технология может обеспечить чистую энергию без ограничений на местоположение и условия окружающей среды других решений возобновляемых источников энергии, таких как солнечные элементы.

Устройство состоит из тонкой пленки белковых нанопроволок размером примерно 7 мкм, собранной с микроорганизма Geobacter sulfurreducens, нанесенной на золотой электрод площадью около 25 кв. мм. Меньший, примерно 1 кв. мм, электрод помещается поверх пленки нанопроволок.

Цзюнь Яо (Jun Yao) , инженер-электрик из Массачусетского университета, и его коллеги обнаружили, что эта установка способна генерировать непрерывный ток в течение более 20 часов. Через 20 часов напряжение упало примерно с 0,5 В до 0,35 В, но когда нагрузка была снята, в течение пяти часов оно снова поднялось до 0,5 В, что свидетельствует о процессе самозарядки.

Исследователи также подключили несколько устройств вместе, чтобы увеличить выход. Благодаря 17 устройствам они смогли генерировать напряжение 10 В и продемонстрировали, что эти подключенные устройства могут питать светодиод или небольшой жидкокристаллический дисплей.

G. sulfurreducens была обнаружена Дереком Ловли (Derek Lovley), микробиологом из Массачусетского университета. Он сообщает в Physics World, что бактерии используют электропроводящие нанопроволоки для установления связей с другими видами микроорганизмов и минералами. «Например, в почвах и отложениях Geobacter «подает» электроны на метанообразующие микроорганизмы, которые используют их для превращения углекислого газа в метан, - говорит Ловли. - Geobacter также электрически соединяется с минералами железа в почвах и отложениях, чтобы использовать минералы железа подобно тому, как мы используем кислород».

По словам исследователей, в устройстве генерируется энергия благодаря градиенту влажности, который образуется в пленке нанопроволоки, когда она подвергается воздействию естественной влажности воздуха. Меньший электрод сверху является ключевым, так как он оставляет одну сторону открытой для влажного воздуха, позволяя формироваться градиенту влажности.

Яо говорит, что работа устройства может быть сравнена с молнией. «Облако накапливает положительные и отрицательные заряды на верхней и нижней сторонах, и при определенном пороге оно разряжается через молнию, - объясняет он. - Это указывает на то, что заряд может накапливаться из окружающей среды, и мы можем собирать его для производства электроэнергии. Можно думать, что наше устройство - это маленькое «облако», одна сторона которого открыта для воздуха, а другая закрыта. Молекулы воды в воздухе постоянно сталкиваются с открытой поверхностью, создавая больше зарядов, чем на другой. Разница в заряде в конечном итоге приведет к созданию электрического поля или разности потенциалов, которые будут управлять выходом электрического тока».

Команда экспериментально определила, что влажность окружающей среды была источником энергии, запечатав верхнюю часть устройства, чтобы заблокировать обмен молекул воды с нанопроводами. Это обнуляло электрическую мощность, которая возвращалась после снятия уплотнения. Они также обнаружили, что увеличение влажности окружающей среды и, следовательно, скорости обмена молекул воды увеличивает электрическую мощность. Чтобы проверить, что не было электрохимических реакций с золотыми пластинами, команда заменила их инертными угольными электродами и смогла генерировать аналогичные напряжения. Устройство также работало в темноте, устраняя необходимость в фотоэлектрическом эффекте.

По словам Яо, что исследователи сейчас работают над соединением устройств, чтобы увеличить мощность: «Мы продемонстрировали, что устройства можно подключать для увеличения мощности, поэтому в настоящий момент доказано, что они будут масштабироваться».

Сегодня индустрия требует для хранения данных совершенно новые устройства, которые имеют более высокую производительность при резко сниженном потреблении энергии. Такие устройства могут быть созданы на основе скирмионов.

Магнитные (анти)скирмионы - это микроскопически маленькие вихри, которые встречаются в специальных классах магнитных материалов. Эти нанообъекты могут быть использованы для размещения цифровых данных по их наличию или отсутствию в последовательности вдоль магнитной полосы. Команда ученых из институтов Макса Планка (MPI) по физике микроструктуры в Халле и по химической физике твердого тела в Дрездене и Университете Мартина Лютера в Халле-Виттенберге (MLU) в настоящее время сделала наблюдение, что скирмионы и антискирмионы могут сосуществовать, позволяя расширить свои возможности в устройствах хранения. Результаты были опубликованы в научном журнале Nature Communications.

В связи с постоянно увеличивающимися объемами цифровых данных от растущего числа устройств потребность в емкости для хранения данных резко возросла за последние несколько лет. Традиционные технологии хранения изо всех сил пытаются не отставать. В то же время постоянно растущее энергопотребление этих устройств - жестких дисков (HDD) и оперативной памяти (RAM) - противоречит «зеленой» энергетической среде. Требуются совершенно новые устройства, которые имеют более высокую производительность при резко сниженном потреблении энергии.

Многообещающим предложением является устройство памяти с магнитным треком. Оно состоит из наноскопических магнитных полос (треков), на которых данные кодируются магнитными нанообъектами, обычно их наличием или отсутствием в определенных положениях. Одним из возможных нанообъектов является магнитный (анти)скирмион: это чрезвычайно устойчивый вихрь намагниченности, размер которого может варьироваться от микрометров до нанометров. Эти объекты могут быть записаны и удалены, прочитаны и, что наиболее важно, перемещены токами, что позволяет эксплуатировать трек без каких-либо движущихся частей. «Устанавливая несколько треков, расположенных один над другим, для создания изначально трехмерного запоминающего устройства, емкость хранилища может быть значительно увеличена по сравнению с твердотельными накопителями и даже жесткими дисками. Более того, такое запоминающее устройство с треком будет работать на доле энергии, потребляемой обычными запоминающими устройствами. Это будет намного быстрее, намного компактнее и надежнее», - объясняет профессор Стюарт Паркин (Stuart Parkin), директор MPI по физике микроструктур в Халле.

«Скирмионы и антискирмионы являются «противоположными» магнитными вихрями. Однако до недавнего времени считалось, что эти два различных объекта могут существовать только в разных классах материалов», - объясняет профессор Ингрид Мертиг (Ingrid Mertig) из Института физики из MLU. Исследовательская группа из институтов Макса Планка в Халле, Дрездене и MLU в настоящее время обнаружили, что антискирмионы и скирмионы могут сосуществовать при определенных условиях в одном материале.

Скирмионы и антискирмионы стабилизируются в разных материалах магнитным взаимодействием, которое напрямую связано со структурой основного материала. В некоторых материалах могут образовываться только скирмионы, тогда как в других материалах антискирмионы являются энергетически предпочтительнее. Однако ранее упускалось из виду то, что отдельные магниты в каждом материале (магнитные диполи) также значительно взаимодействуют друг с другом посредством диполь-дипольного взаимодействия. Это взаимодействие всегда предпочитает скирмионы. По этой причине даже «антискирмионные материалы» могут демонстрировать скирмионы (но не наоборот). Это происходит обычно при понижении температуры. При критической температуре перехода два разных объекта сосуществуют.

Помимо своей фундаментальной значимости, этот вывод позволяет использовать улучшенную версию хранилища данных на основе треков, где битовая последовательность может, например, быть закодирована последовательностью скирмионов (бит «1») и антискирмионов (бит «0»). Эта концепция будет более надежной, чем обычные треки.

Исследователи из Технологического института Карлсруэ (KIT) продемонстрировали многоканальную систему связи в видимом спектре (VLC), основанную на печатных органических фотодиодах (OPD), способных демультиплексировать оптические сигналы, излучаемые на разных длинах волн, без необходимости в дополнительных оптических фильтрах.

Описывая свои результаты в статье под названием «Цветоселективные печатные органические фотодиоды для многоканальной видимой световой коммуникации без фильтра», опубликованной в журнале «Advanced Materials», авторы сообщают о концепции без фильтра для цветных струйно-печатаемых OPD, использующих избирательное поглощение системы объемного гетероперехода (bulk‐heterojunction, BHJ), в которой селективные нефуллереновые акцепторы (NFA) смешиваются в прозрачный полимерный донор с широкой запрещенной зоной, служащий в качестве матрицы для печати.

В этом подходе авторы продемонстрировали, что спектральный отклик устройства зависит исключительно от выбора NFA, в то время как донор полимера диктует реологические свойства чернил, устраняя любую взаимозависимость между параметрами обработки и оптическими свойствами активного слоя, что значительно упрощает составы чернил.

Печатные OPD, о которых сообщалось в статье, имели характеристики срабатывания, превышающие 10² мА Вт^-1, в видимом спектральном диапазоне синего / зеленого и красного цветов, опять же без необходимости какой-либо оптической фильтрации, с полосами пропускания, превышающими 1,5 МГц. Эти характеристики делают печатные органические фотодиоды пригодными для применения в системе VLC, где можно использовать цветовую селективность для демультиплексирования оптических сигналов, одновременно передаваемых на разных длинах волн. Такие матрицы фотодетекторов могут быть сделаны не только экономически эффективными, но также тонкими и гибкими для лучшей механической интеграции в носимые устройства, мобильные сенсорные узлы или системы мониторинга здравоохранения.

«Большое количество этих фотоприемников любой конструкции может быть изготовлено на гибких, легких материалах. Следовательно, они особенно подходят для мобильных устройств», - сказал ведущий автор Ноа Штробель (Noah Strobel).

Селективные по цвету органические датчики света, полученные методом струйной печати с полупроводниковыми чернилами

В нашем мире нет недостатка в сложных сетях - от клеточных сетей в биологии до сложных веб-сетей в технологиях. Эти сети также составляют основу различных приложений практически во всех областях науки, и для анализа и манипулирования такими сетями требуются специальные «поисковые» алгоритмы. Но обычные алгоритмы поиска работают медленно и при работе с большими сетями требуют длительного вычислительного времени. Недавно были найдены алгоритмы поиска, основанные на принципах квантовой механики, которые значительно превосходят классические подходы. Одним из таких примеров является алгоритм «квантового блуждания», который можно использовать для поиска конкретной точки или «вершины» на заданном графе с N вершинами. Вместо того, чтобы просто проходить через соседние вершины, подход квантового блуждания использует вероятностные оценки, основанные на квантово-механической теории, что резко сокращает количество шагов, необходимых для нахождения цели. Чтобы достичь этого, прежде чем переходить из одной точки в другую, необходимо повторно выполнить операцию, называемую «вызов оракула», чтобы скорректировать значения вероятности в представлении квантовой системы. Одна из основных проблем состоит в том, чтобы понять взаимосвязь между оптимальным временем вычислений вызова оракула и структурой сети, поскольку эта связь хорошо понятна для стандартных форм и тел, но остается сложной для сложных сетей.

В новом исследовании, опубликованном в Physical Review A, группа ученых из Токийского университета науки, возглавляемая профессором Тетсуро Никуни (Tetsuro Nikuni), углубилась в тонкости этих сетей, пытаясь разработать более эффективные квантовые алгоритмы. Проф. Никуни объясняет: «Многие системы реального мира, такие как Всемирная паутина и социальные / биологические сети, демонстрируют сложные структуры. Чтобы полностью изучить потенциал этих сетевых систем, разработка эффективного алгоритма поиска имеет решающее значение».

Для начала ученые изучили «фрактальные свойства» (геометрические свойства фигур, которые, кажется, бесконечно повторяют их общую форму) сетей. Исследователи сосредоточились на некоторых основных фрактальных решетках (структурах с фрактальной сеткой), таких как «треугольник Серпинского», «тетраэдр Серпинского» и «ковер Серпинского», чтобы попытаться выяснить взаимосвязь между числом вершин (узлов сети) и оптимальным временем вычислений в поиске квантового блуждания. С этой целью они выполнили численное моделирование с более чем миллионом вершин и проверили, соответствуют ли результаты предыдущим исследованиям, которые предложили математический закон или «закон масштабирования», чтобы объяснить эту связь.

Исследователи обнаружили, что закон масштабирования для некоторых фрактальных решеток варьируется в зависимости от их спектральной размерности, подтверждая предыдущую гипотезу для других решеток. Удивительно, но они даже обнаружили, что закон масштабирования для другого типа фрактальной решетки зависит от комбинации ее внутренних характеристик, снова показывая, что предыдущая гипотеза об оптимальном числе вызовов оракула могла бы быть точной. Проф. Никуни говорит: «Действительно, может быть фактом, что квантовый пространственный поиск на фрактальных решетках неожиданно подвержен сочетаниям характерных величин геометрии фрактала. Остается открытым вопрос, почему закон масштабирования для числа вызовов оракула дается такими комбинациями». С этим пониманием, команда даже предложила новую гипотезу масштабирования, которая немного отличается от предложенной ранее, чтобы лучше понять различные фрактальные геометрии сетей.

Исследовательская группа надеется, что благодаря своим открытиям квантовый поиск станет легче анализировать экспериментально - особенно с недавними экспериментами, проводящими квантовые блуждания по физическим системам, таким как оптические решетки. Широкое применение квантовых алгоритмов на фрактальных решетках подчеркивает важность этого исследования. Ввиду своих впечатляющих результатов, это исследование было даже выбрано в качестве «предложения редактора» в выпуске «Physical Review A» за февраль 2020 года. Оптимистично оценивая результаты и с учетом будущих направлений исследований, профессор Никуни заключает: «Мы надеемся, что наше исследование будет способствовать дальнейшему междисциплинарное исследование сложных сетей, математики и квантовой механики на фрактальных геометриях».

Исследователи сделали прорыв в области управления терагерцовыми квантовыми каскадными лазерами, что может привести к передаче данных со скоростью 100 Гб/с - примерно в тысячу раз быстрее, чем Fast Ethernet, работающий со скоростью 100 Мб/с.

Что отличает терагерцовые квантовые каскадные лазеры от других лазеров, так это то, что они излучают свет в терагерцовом диапазоне электромагнитного спектра. Они имеют приложения в области спектроскопии, где используются в химическом анализе.

Лазеры также могут в конечном итоге обеспечить сверхбыструю беспроводную связь с короткими транзитными участками, где большие наборы данных должны передаваться через медгородки или между исследовательскими центрами в университетах, или в спутниковой связи.

Чтобы иметь возможность отправлять данные с такими высокими скоростями, лазеры должны модулироваться очень быстро: включаться и выключаться или пульсировать около 100 миллиардов раз в секунду.

Инженеры и ученые до сих пор не смогли разработать способ достижения этого.

Исследовательская группа из Университета Лидса и Университета Ноттингема считает, что они нашли способ обеспечить сверхбыструю модуляцию, комбинируя силу акустических и световых волн. Они опубликовали свои выводы в Nature Communications.

Джон Каннингем (John Cunningham), профессор наноэлектроники в Лидсе, сказал: «Это захватывающее исследование. В настоящее время система для модуляции квантового каскадного лазера приводится в действие с помощью электричества, но эта система имеет ограничения.
По иронии судьбы, та же электроника, которая обеспечивает модуляцию, обычно тормозит скорость модуляции. Разрабатываемый нами механизм опирается вместо этого на акустические волны».

Квантовый каскадный лазер очень эффективен. Когда электрон проходит через оптический компонент лазера, он проходит через серию «квантовых ям», где уровень энергии электрона падает и излучается фотон, или импульс световой энергии.

Один электрон способен излучать несколько фотонов. Именно этот процесс контролируется во время модуляции.

Вместо внешней электроники команды исследователей из университетов Лидса и Ноттингема использовали акустические волны для колебания квантовых ям внутри квантового каскадного лазера.
Акустические волны генерировались при воздействии импульса другого лазера на алюминиевую пленку. Это заставляло пленку расширяться и сжиматься, посылая механическую волну через квантовый каскадный лазер.

Тони Кент (Tony Kent), профессор физики в Ноттингеме, сказал: «По сути, мы использовали акустическую волну, чтобы встряхнуть сложные электронные состояния внутри квантового каскадного лазера. Затем мы могли видеть, что его терагерцовый световой поток изменялся акустической волной».

Профессор Каннингем добавил: «Мы не достигли ситуации, когда мы могли бы остановить и полностью запустить поток, но мы смогли управлять светоотдачей в диапазоне нескольких процентов, что является отличным началом. Мы считаем, что с дальнейшим уточнением мы сможем разработать новый механизм для полного контроля излучения фотонов от лазера и, возможно, даже интегрировать структуры, генерирующие звук, с терагерцовым лазером, так что внешний источник звука не потребуется».

Профессор Кент отметил, что этот результат открывает новую область для физики и инженерии, объединяющуюся в исследовании взаимодействия терагерцового звука и световых волн, которые могут иметь реальные технологические приложения.

Использовать воду, а точнее говоря, дождь, как источник для генерирования электроэнергии, тема не новая, но недавно в этом направлении сделан еще один шаг вперед.

Группа во главе с учеными из Городского университета Гонконга (CityU) недавно разработала электрогенератор на основе капель (Droplet-based Electricity Generator, DEG), оснащенный структурой, подобной полевому транзистору (FET). Система обеспечивает высокую эффективность преобразования энергии и увеличение мгновенной плотности мощности в тысячи раз по сравнению с аналогами без FET-подобной структуры. Об этом наше издание уже давало новость, но разработка столь перспективна, что я решил повторно привлечь к ней внимание читателей. Тем более нашлось видео, иллюстрирующее работу экспериментальной разработки.

Исследованием руководили проф. Ван Джуанькай (Wang Zuankai) из отдела машиностроения CityU, проф. Джэн Сяо Чен (из университета Небраска-Линкольн и профессор Ван Чжун Лин, директор-основатель и главный научный сотрудник Пекинского института наноэнергетики и наносистем Китайской академии наук.

Чтобы повысить эффективность преобразования ученые потратили два года на разработку DEG. Его мгновенная плотность мощности может достигать 50,1 Вт/м², что в тысячи раз выше, чем у других подобных устройств без использования FET-подобной конструкции. И эффективность преобразования энергии заметно выше.

Профессор Ван из CityU отметил, что для изобретения имелись два ключевых фактора. Во-первых, команда обнаружила, что непрерывные капли, падающие на ПТФЭ (политетрафторэтилен), электретный материал с квазипостоянным электрическим зарядом, обеспечивают новый путь для накопления и хранения поверхностных зарядов высокой плотности. Было зафиксировано, что когда капли воды непрерывно ударяются о поверхность ПТФЭ, генерируемые поверхностные заряды  накапливаются и постепенно достигают насыщения. Это новое открытие помогло преодолеть узкое место низкой плотности заряда, с которым сталкивались в предыдущей работе.

Еще одной ключевой особенностью их структуры является уникальный набор конструкций, аналогичный FET, за который была получена Нобелевская премия по физике в 1956 году, и который в настоящее время стал основным строительным блоком современной электроники. Устройство состоит из алюминиевого электрода и электрода из оксида индия и олова (ITO) с нанесенной на него пленкой из ПТФЭ. Электрод PTFE / ITO отвечает за генерацию, хранение и индукцию заряда. Когда падающая капля воды попадает на поверхность PTFE / ITO и растекается по ней, она естественным образом «соединяет» алюминиевый электрод и электрод PTFE / ITO, переводя исходную систему в замкнутую электрическую цепь.

Благодаря этой специальной конструкции на ПТФЭ может накапливаться высокая плотность поверхностных зарядов в результате непрерывного удара капель. Между тем, когда растекающаяся вода соединяет два электрода, все накопленные заряды на ПТФЭ могут полностью высвобождаться для генерации электрического тока. В результате как мгновенная плотность мощности, так и эффективность преобразования энергии намного выше.

«Наше исследование показывает, что капля в 100 микролитров воды, падающая с высоты 15 см, может генерировать напряжение свыше 140 В. И генерируемая мощность может освещать 100 маленьких светодиодных лампочек», - сказал профессор Ван.

Он добавил, что увеличение мгновенной плотности мощности происходит не за счет дополнительной энергии, а за счет преобразования кинетической энергии самой воды.

Сложно даже переоценить данную разработку. Особенно для регионов, где не так много солнечных дней, но постоянно дождливая погода.