Несмотря на растущую озабоченность по поводу вторжения алгоритмов в повседневную жизнь, люди могут быть более склонны доверять компьютерной программе, чем своим собратьям, особенно если задача становится слишком сложной, согласно новому исследованию специалистов по данным из Университета Джорджии.

От выбора следующей песни в вашем плейлисте до выбора брюк правильного размера - люди больше полагаются на советы алгоритмов, которые помогают принимать повседневные решения и упрощают их жизнь.

«Алгоритмы способны выполнять огромное количество задач, и оно увеличивается практически каждый день, - сказал аспирант Департамента бизнеса информационных систем управления Терри-Колледжа Эрик Богерт (Eric Bogert). - Похоже, что есть склонность в большей степени полагаться на алгоритмы по мере усложнения задачи, и этот эффект сильнее, чем склонность полагаться на советы других людей».

Богерт работал с профессором информационных систем управления Риком Уотсоном (Rick Watson) и доцентом Аароном Шектером (Aaron Schecter) над статьей «Люди больше полагаются на алгоритмы, чем на социальное влияние, по мере того как задача становится все труднее», которая была опубликована в журнале Nature's Scientific Reports.

Их исследование, в котором участвовало 1500 человек, оценивающих фотографии, является частью большой работы по анализу того, как и когда люди работают с алгоритмами для обработки информации и принятия решений.

Для этого исследования команда попросила добровольцев подсчитать количество людей на фотографии толпы и предоставила предложения, которые были созданы группой других людей, и предложения, созданные с помощью алгоритма.

По мере того, как количество людей на фотографии увеличивалось, подсчет становился все труднее, и люди с большей вероятностью следовали предложению, генерируемому алгоритмом, чем собственным подсчетам, сказал Шектер.

Шектер объяснил, что выбор подсчета в качестве пробного задания был важным, потому что количество людей на фотографии объективно усложняет задачу по мере увеличения. Это также задача, с которой, по мнению неспециалистов, компьютеры будут хороши.

«Это задача, с которой люди полагают, что компьютер будет хорош, даже если он может быть более подвержен предвзятости, чем подсчет объектов, - сказал Шектер. - Одна из распространенных проблем с ИИ - это когда он используется для присуждения кредита или утверждения кого-либо для получения ссуды. Хотя это субъективное решение, в нем много цифр, таких как доход и кредитный рейтинг, поэтому люди чувствуют себя так, как будто это хорошая работа для алгоритма. Но мы знаем, что зависимость ведет к дискриминационной практике во многих случаях из-за социальных факторов, которые не принимаются во внимание».

По словам Шектера, алгоритмы распознавания лиц и найма стали предметом пристального внимания в последние годы, поскольку их использование выявило культурные предубеждения в том, как они были построены, что может вызвать неточности при сопоставлении лиц с личностями или отборе квалифицированных кандидатов на работу.

Эти предубеждения могут отсутствовать в простой задаче, такой как подсчет, но их присутствие в других надежных алгоритмах является причиной, по которой важно понимать, как люди полагаются на алгоритмы при принятии решений, добавил он.

Это исследование было частью более крупной исследовательской программы Шектера в области взаимодействия человека и машины, которая финансируется за счет гранта от Исследовательского управления армии США.

«Конечная цель - посмотреть на группы людей и машин, принимающих решения, и найти, как мы можем заставить их доверять друг другу и как это меняет их поведение, - сказал Шектер. - Поскольку в этой обстановке очень мало исследований, мы начинаем с основ».

Шектер, Уотсон и Богерт в настоящее время изучают, как люди полагаются на алгоритмы при вынесении творческих и моральных суждений, таких как написание описательных отрывков и освобождение заключенных под залог

Может быть, в будущем появятся информационные технологии, в которых спин электрона будет использоваться для хранения, обработки и передачи информации в квантовых компьютерах. Задача ученых - использовать спиновые квантовые информационные технологии при комнатной температуре. Группа исследователей из Швеции, Финляндии и Японии создала полупроводниковый компонент, в котором можно эффективно обмениваться информацией между электронным спином и светом при комнатной температуре и выше. Новый метод описан в статье, опубликованной в Nature Photonics.

Хорошо известно, что электроны имеют отрицательный заряд, а также обладают другим свойством, а именно спином. Последнее может сыграть важную роль в развитии информационных технологий.

Спинтроника - многообещающий кандидат для будущих информационных технологий - использует это квантовое свойство электронов для хранения, обработки и передачи информации. Это дает важные преимущества, такие как более высокая скорость и меньшее потребление энергии по сравнению с традиционной электроникой.

Развитие спинтроники в последние десятилетия было основано на использовании металлов, и это имело большое значение для возможности хранения больших объемов данных. Однако было бы несколько преимуществ в использовании спинтроники на основе полупроводников.

«Одним из важных преимуществ спинтроники, основанной на полупроводниках, является возможность преобразовывать информацию, представленную спиновым состоянием, и передавать ее свету, и наоборот. Технология известна как опто-спинтроника. Она позволила бы интегрировать обработку и хранение информацию на основе спина с передачей информации с помощью света», - говорит Вейминь Чень (Weimin Chen), профессор Университета Линчёпинга, Швеция, который руководил проектом.

Поскольку электроника, используемая сегодня, работает при комнатной температуре и выше, серьезной проблемой в развитии спинтроники было то, что электроны имеют тенденцию переключать и случайным образом изменять направление своего спина при повышении температуры. Это означает, что информация, закодированная в электронных спиновых состояниях, теряется или становится неоднозначной. Таким образом, необходимым условием для развития спинтроники на основе полупроводников является то, что мы можем установить практически все электроны в одно и то же спиновое состояние и поддерживать его, другими словами, чтобы они были поляризованными по спину, при комнатной и более высоких температурах. Предыдущие исследования позволили достичь максимальной спиновой поляризации электронов около 60% при комнатной температуре, что неприемлемо для крупномасштабных практических приложений.

Исследователи из Университета Линчёпинга, Университета Тампере и Университета Хоккайдо достигли спиновой поляризации электронов при комнатной температуре более 90%. Спиновая поляризация остается на высоком уровне даже до 110° C. Этот технологический прогресс, описанный в Nature Photonics, основан на опто-спинтронной наноструктуре, которую исследователи построили из слоев различных полупроводниковых материалов. Она содержит наноразмерные области, называемые квантовыми точками. Каждая квантовая точка примерно в 10 000 раз меньше толщины человеческого волоса. Когда спин-поляризованный электрон падает на квантовую точку, он излучает свет, а точнее, излучает одиночный фотон с состоянием (угловым моментом), определяемым спином электрона. Таким образом, считается, что квантовые точки обладают большим потенциалом в качестве интерфейса для передачи информации между электронным спином и светом, что будет необходимо в спинтронике, фотонике и квантовых вычислениях. В недавно опубликованном исследовании ученые показывают, что можно использовать соседний спиновой фильтр для удаленного управления электронным спином квантовых точек при комнатной температуре.

Квантовые точки сделаны из арсенида индия (InAs), а слой арсенида азота галлия (GaNAs) функционирует как фильтр спина. Между ними зажат слой арсенида галлия (GaAs). Подобные структуры уже используются в оптоэлектронных технологиях на основе арсенида галлия, и исследователи считают, что это может облегчить интеграцию спинтроники с существующими электронными и фотонными компонентами.

«Мы очень рады, что наши длительные усилия по накоплению опыта, необходимого для производства строго контролируемых N-содержащих полупроводников, определяют новый рубеж в спинтронике. До сих пор у нас был хороший уровень успеха при использовании таких материалов для оптоэлектроники, в высокоэффективных солнечных элементах и лазерных диодах. Теперь мы хотим продолжить нашу работу и объединить фотонику и спинтронику, используя общую платформу для световых и спиновых квантовых технологий», - говорит профессор Мирча Гуина (Mircea Guina), руководитель исследовательской группы Университета Тампере в Финляндии.

Экспериментальная установка, аналогичная той, которую использовали исследователи

Новое исследование указывает на недостатки решения проблемы компромисса между скоростью работы и когерентностью потенциального масштабирования кубитов до мини-квантового компьютера.

По прогнозам, квантовые компьютеры будут намного более мощными и функциональными, чем сегодняшние «классические» компьютеры.
Один из способов сделать квантовый бит - использовать спин электрона. Чтобы сделать квантовые компьютеры максимально быстрыми и энергоэффективными, хотелось бы работать с ними, используя только электрические поля, которые прикладываются с помощью обычных электродов.

Хотя спин обычно не взаимодействует с электрическими полями, в некоторых материалах спины могут косвенно взаимодействовать с ними, и это одни из самых «горячих» материалов, изучаемых в настоящее время в квантовых вычислениях.

Взаимодействие, которое позволяет спинам взаимодействовать с электрическими полями, называется спин-орбитальным взаимодействием и восходит к теории относительности Эйнштейна.

Исследователи квантовых вычислений опасались, что при сильном взаимодействии любое увеличение скорости работы будет компенсировано потерей когерентности (по сути, того, как долго мы можем сохранять квантовую информацию).

«Если электроны начинают взаимодействовать с электрическими полями, которые мы применяем в лаборатории, это означает, что они также подвергаются нежелательным флуктуирующим электрическим полям, которые существуют в любом материале (обычно называемые шумом), и хрупкая квантовая информация этих электронов будет уничтожена», - говорит профессор Дими Калсер (Dimi Culcer) из UNSW/FLEET, руководивший теоретическим исследованием.

Но н исследование показало, что эти опасения не оправдываются.
«Наши теоретические исследования показывают, что решение достигается за счет использования дырок, которые можно рассматривать как отсутствие электрона» - отметил он.

Таким образом, квантовый бит можно сделать устойчивым к колебаниям заряда, происходящим из твердого фона.

Более того, «золотая середина», в которой кубит наименее чувствителен к такому шуму, также является точкой, в которой с ним можно работать быстрее всего.

«Наше исследование предсказывает, что такая точка существует в каждом квантовом бите, сделанном из дырок, и предоставляет набор рекомендаций для экспериментаторов, чтобы достичь этих точек в своих лабораториях», - говорит проф. Калсер.

Достижение этих точек упростит экспериментальные усилия по сохранению квантовой информации как можно дольше. Это также предоставит стратегии для масштабирования квантовых битов, то есть создания «массива» битов, который будет работать как мини-квантовый компьютер.

«Это теоретическое предсказание имеет ключевое значение для увеличения масштабов квантовых процессоров, и первые эксперименты уже проведены», - говорит профессор Свен Рогге (Sven Rogge) из Центра квантовых вычислений и коммуникационных технологий (CQC2T).
«Наши недавние эксперименты с дырочными кубитами с использованием акцепторов в кремнии уже продемонстрировали более длительное время когерентности, чем мы ожидали, - отметил проф. Джо Салфи (Joe Salfi) из Университета Британской Колумбии. - Приятно видеть, что эти наблюдения имеют прочную теоретическую основу. Перспективы дырочных кубитов действительно радужны».

Ведущий автор, аспирант Чжаньнин Ван (Zhanning Wang)

Для безошибочных вычислений квантовым компьютерам будущего, вероятно, потребуются как минимум миллионы кубитов. Последнее исследование, опубликованное в журнале PRX Quantum, предполагает, что эти компьютеры могут быть сделаны с использованием кремниевых чипов промышленного класса на базе существующих производственных процессов, вместо того, чтобы применять новые или даже недавно обнаруженные частицы.

Для исследования ученые смогли выделить и измерить квантовое состояние отдельного электрона (кубита) в кремниевом транзисторе, изготовленном с использованием технологии КМОП, аналогичной той, которая применяется для изготовления микросхем в компьютерных процессорах.

Кроме того, было обнаружено, что спин электрона оставался стабильным до девяти секунд. Следующим шагом будет использование аналогичной производственной технологии, чтобы показать, как массив кубитов может взаимодействовать для выполнения квантовых логических операций.

Профессор Джон Мортон (John Morton) из Лондонского центра нанотехнологий при Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе, соучредитель Quantum Motion, сказал: «Мы взламываем процесс создания кубитов, поэтому те же технологии для производства чипов в смартфоне можно использовать для создания квантовых компьютеров. Потребовалось 70 лет, чтобы разработка транзисторов достигла того уровня, на котором мы сейчас находимся в области вычислений, и мы не можем потратить еще 70 лет, пытаясь изобрести новые производственные процессы для создания квантовых компьютеров. Нам нужны миллионы кубитов и ультра-масштабируемая архитектура для их создания, и наше открытие дает нам план кратчайшего пути к производству квантовых чипов в промышленных масштабах».

Эксперименты проводились аспирантом Вирджинией Сириано Техель (Ciriano Tejel) из Лондонского центра нанотехнологий при UCL и коллегами, работающими в низкотемпературной лаборатории. Во время работы чипы хранятся охлажденными до доли градуса выше абсолютного нуля (- 273 градуса Цельсия).

Сириано Техель сказала: «Каждый студент-физик знает из учебников, что электроны ведут себя как крошечные магниты со странными квантовыми свойствами, но ничто не готовит вас к ощущению чуда в лаборатории, когда вы можете наблюдать за этим «вращением» отдельного электрона своим собственными глазами, иногда направленными вверх, иногда вниз. Приятно быть ученым, пытающимся понять мир и в то же время участвовать в разработке квантовых компьютеров».

Квантовый компьютер использует законы физики, которые обычно наблюдаются только на атомном и субатомном уровнях (например, частицы могут находиться в двух местах одновременно). Квантовые компьютеры могут быть более мощными, чем современные суперкомпьютеры, и способны выполнять сложные вычисления, которые в противном случае практически невозможны.

Хотя приложения квантовых вычислений отличаются от традиционных компьютеров, они позволят нам быть более точными и быстрыми в чрезвычайно сложных областях, таких как разработка лекарств и борьба с изменением климата, а также решать повседневные проблемы, которые имеют огромное количество переменных - так же, как в природе, - например, транспорт и логистика.

Новый тип универсальной компьютерной памяти - ULTRARAM - приблизился к развитию благодаря успешному эксперименту физиков Ланкастера.

Проф. Манус Хейне (Manus Hayne), возглавляющий исследование, прокомментировал: «Эти новые результаты подтверждают удивительные свойства ULTRARAM, позволяя нам продемонстрировать ее потенциал как быстрой и эффективной энергонезависимой памяти с высокой надежностью».

В настоящее время два основных типа памяти, динамическое ОЗУ (DRAM) и флэш-память, имеют дополняющие характеристики и роли.

DRAM работает быстро, поэтому используется для активной (рабочей) памяти, но является энергозависимой, что означает, что данные теряются при отключении питания. Действительно, DRAM постоянно «забывает» и нуждается в постоянном обновлении.

Флэш-память энергонезависима, что позволяет носить данные в кармане, но работает очень медленно и изнашивается. Он хорошо подходит для хранения данных, но не может использоваться для активной памяти.

«Универсальная память» - это память, в которой данные хранятся очень надежно, но также могут быть легко изменены; то, что до сих пор считалось недостижимым.

Команда Ланкастера разрешила парадокс универсальной памяти, используя квантово-механический эффект, называемый резонансным туннелированием, который позволяет барьеру переключаться с непрозрачного на прозрачный при приложении небольшого напряжения.

Их новое энергонезависимое ОЗУ под названием ULTRARAM представляет собой рабочую реализацию так называемой «универсальной памяти», обещающей все преимущества DRAM и флэш-памяти без каких-либо недостатков.

В своей последней работе, опубликованной в IEEE Transactions on Electron Devices, исследователи впервые интегрировали устройства ULTRARAM в небольшие (4-битные) массивы. Это позволило им экспериментально проверить новую запатентованную архитектуру памяти, которая ляжет в основу будущих микросхем памяти ULTRARAM.

Они также изменили конструкцию устройства, чтобы в полной мере использовать физику резонансного туннелирования, в результате чего были созданы приборы, которые работают в 2000 раз быстрее, чем первые прототипы, и обладают устойчивостью к циклическому программированию/стиранию, которая по крайней мере в десять раз лучше, чем у флэш-памяти, без каких-либо компромиссов в хранении данных. 

Радиоволны, от микроволновых печей до соединений Wi-Fi, пронизывающие окружающую среду, являются не только потребляемой энергией, но и сами являются источниками энергии. Международная группа исследователей во главе с Хуанью «Ларри» Ченом (Huanyu "Larry" Cheng), профессором Дороти Квиггл (Dorothy Quiggle) по развитию карьеры из Департамента инженерных наук и механики штата Пенсильвания, разработала способ сбора энергии радиоволн для питания носимых устройств.

По словам Чена, нынешние источники энергии для носимых устройств мониторинга здоровья используются для питании сенсорных устройств, но у каждого из них есть свои недостатки. Например, солнечная энергия может собираться только при воздействии солнца. Трибоэлектрическое устройство с автономным питанием может собирать энергию только тогда, когда тело находится в движении.

«Мы не хотим заменять ни один из этих нынешних источников энергии, - сказал Чен. - Мы пытаемся обеспечить дополнительную постоянную энергию».

Исследователи разработали растягиваемую широкополосную дипольную антенную систему, способную передавать по беспроводной сети данные, полученные с датчиков мониторинга состояния здоровья. Система состоит из двух растягиваемых металлических антенн, интегрированных с проводящим графеновым материалом с металлическим покрытием. Широкополосная конструкция системы позволяет ей сохранять свои частотные функции даже при растяжении, изгибе и скручивании. Затем эту систему подключают к растягиваемой выпрямительной схеме, создавая выпрямленную антенну или «ректенну», способную преобразовывать энергию электромагнитных волн в электричество. Это электричество, которое можно использовать для питания беспроводных устройств или для зарядки устройств хранения энергии, таких как батареи и суперконденсаторы.

Эта ректенна может преобразовывать радио или электромагнитные волны из окружающей среды в энергию для питания сенсорных модулей на устройстве, которые отслеживают температуру, гидратацию и уровень кислорода в импульсном режиме. По сравнению с другими источниками, вырабатывается меньше энергии, но система может вырабатывать энергию непрерывно, что является значительным преимуществом, по словам Чена.

«Мы используем энергию, которая уже окружает нас – радиоволны есть везде и всегда, - сказал Чен. - Если мы не используем эту энергию из окружающей среды, она просто тратится впустую. Мы можем собрать эту энергию и сделать ее полезной».

Чен сказал, что эта технология является строительным блоком для него и его команды. Объединение ее с их новым устройством беспроводной передачи данных обеспечит критически важный компонент, который будет работать с существующими модулями датчиков команды.

«Нашими следующими шагами будет исследование миниатюрных версий этих схем и работа над повышением растяжимости выпрямителя, - сказал Чен. - Это платформа, на которой мы можем легко комбинировать и применять эту технологию с другими модулями, которые мы создали в прошлом. Она легко расширяется или адаптируется для других приложений, и мы планируем изучить эти возможности».

Международная группа исследователей во главе с Хуанью «Ларри» Ченом и проф. Дороти Квиггл разработала растягиваемую антенну и систему ректенна, которая собирает энергию радиоволн из окружающей среды для питания носимых устройств

ACM, Ассоциация вычислительной техники, назвала Альфреда Вайно Ахо (Alfred Vaino Aho) и Джеффри Дэвида Ульмана (Jeffrey David Ullman) лауреатами Премии Тьюринга ACM A.M. 2020 года.

Она присуждена им за фундаментальные алгоритмы и теорию, лежащую в основе реализации языков программирования, и за синтез этих и других результатов в их очень влиятельных книгах, на которых были обучены поколения компьютерных ученых. Ахо - почетный профессор компьютерных наук Колумбийского университета. Ульман - почетный профессор компьютерных наук Стэнфордского университета.

Компьютерное программное обеспечение используется практически во всех технологиях, с которыми мы взаимодействуем. Практически каждая программа, работающая в нашем мире - от программ на наших телефонах или в наших машинах, до программ, работающих на гигантских серверных фермах в крупных веб-компаниях, - пишется людьми на языке программирования более высокого уровня, а затем компилируется в код более низкого уровня для выполнения. Большая часть технологий для выполнения этой компиляции для современных языков программирования обязана своим происхождением Ахо и Ульману.

Начиная с сотрудничества с Bell Labs в 1967 году, продолжавшееся в течение нескольких десятилетий, Ахо и Ульман сформировали основы теории и реализации языков программирования, а также разработки и анализа алгоритмов. Они внесли широкий и фундаментальный вклад в сферу компиляторов языков программирования благодаря своим техническим достижениям и влиятельным учебникам. Их ранняя совместная работа в области разработки алгоритмов и методов анализа внесла решающий вклад в теоретическое ядро информатики, возникшее в этот период.

Премия Тьюринга, часто называемая «Нобелевской премией в области вычислительной техники», при финансовой поддержке компании Google, Inc. составляет 1 миллион долларов. Она названа в честь Алана М. Тьюринга, британского математика, который сформулировал математические основы и пределы вычисления.

«Ахо и Ульман разработали фундаментальные идеи об алгоритмах, формальных языках, компиляторах и базах данных, которые сыграли важную роль в развитии современного программирования и программного обеспечения, - сказал Джефф Дин (Jeff Dean), старший научный сотрудник Google и старший вице-президент Google AI. - Они также продемонстрировали, как эти различные дисциплины тесно взаимосвязаны. Ахо и Ульман представили ключевые технические концепции, в том числе конкретные алгоритмы, которые имели большое значение. Что касается образования в области информатики, их учебники стали золотым стандартом для обучения студентов, исследователей и практиков».

Прогресс в области интегральных схем измеряется соответствием, превышением или отставанием от скорости, установленной Гордоном Муром, бывшим генеральным директором и соучредителем Intel, который сказал, что количество электронных компонентов, или транзисторов на одну интегральную схему, примерно удваивается каждый год. Это было более 50 лет назад, и неожиданно его предсказание, получившее название закона Мура, сбылось.

В последние годы считалось, что темп замедлился. Одна из самых больших проблем при размещении большего количества цепей и мощности на меньшем чипе - это охлаждение.

Многопрофильная группа, в которую входят Патрик Э. Хопкинс (Patrick E. Hopkins), проф. факультета механической и аэрокосмической техники Университета Вирджинии, и Уилл Дихтель (Will Dichtel), проф. химического факультета Северо-Западного университета, изобретает новый класс материалов, способных удерживать микросхемы холодными, по мере того как они продолжают уменьшаться в размерах, - и помогать закону Мура оставаться верным. Их работа недавно была опубликована в журнале Nature Materials.

Электроизоляционные материалы, которые минимизируют электрические перекрестные помехи в микросхемах, называются диэлектриками с низким k. Этот тип материала - скромный герой, который делает возможной всю электронику, управляя током, чтобы устранить искажения сигнала и помехи; в идеале он также может отводить от схемы вредное тепло, вызванное электрическим током. Проблема нагрева становится экспоненциальной по мере того, как микросхема становится меньше, потому что количество транзисторов не только увеличивается, что вызывает больше тепла в той же области, но и они располагаются ближе друг к другу, что затрудняет рассеивание тепла.

«Ученые искали диэлектрический материал с низким k, который мог бы справиться с проблемами теплопередачи и пространства, присущими гораздо меньшим масштабам, - сказал проф. Хопкинс. - Хотя мы прошли долгий путь, новых прорывов просто не произойдет, если мы не объединим дисциплины. В этом проекте мы использовали исследования и принципы из нескольких областей - машиностроения, химии, материаловедения, электротехники – для решения действительно сложной проблемы, которую никто из нас не смог бы решить самостоятельно».

Проф. Хопкинс является одним из лидеров инициативы UVA Engineering по интеграции многофункциональных материалов, которая объединяет исследователей из различных инженерных дисциплин для разработки материалов с широким спектром функций.

«Увидеть «мою» проблему через чью-то линзу в другой области было не только увлекательно, но и породило идеи, которые в конечном итоге привели к развитию. Я думаю, что у всех нас был такой опыт», - сказал Эшутош Гири (Ashutosh Giri), бывший старший научный сотрудник UVA Engineering и аспирант лаборатории Хопкинса, соавтор статьи о материалах в Nature и доцент Университета Род-Айленда в области машиностроения, промышленности и системотехники.

«Мы берем полимерные листы толщиной всего в один атом - мы называем это 2D - и контролируем их свойства, располагая листы слоями в определенной архитектуре», - сказал Дихтель. - Наши усилия по совершенствованию методов производства высококачественных 2D-полимерных пленок сделали возможным эту совместную работу».

Команда применяет этот новый класс материалов, чтобы попытаться удовлетворить требования миниатюризации транзисторов на плотном кристалле, добавил Дихтель.
 
Этот материал имеет как низкую электропроводность, так и высокую теплопроводность. Такая комбинация свойств была недавно определена в Международной дорожной карте полупроводников как необходимое условие для интегральных схем следующего поколения.

Проф. Патрик Хопкинс (слева) и Эш Гири

Уильям Оутс (William Oates), профессор машиностроения компании Cummins Inc. и заведующий кафедрой машиностроения инженерного колледжа FAMU-FSU, и научный сотрудник Гуанли Сюй (Guanglei Xu), получивший докторскую степень, нашли способ автоматически определять параметры, используемые в важном алгоритме квантовой машины Больцмана для приложений машинного обучения.

Эта работа могла бы помочь в создании искусственных нейронных сетей, которые можно было бы использовать для обучения компьютеров для решения сложных взаимосвязанных задач, таких как распознавание изображений, открытие лекарств и создание новых материалов.

«Существует мнение, что квантовые вычисления по мере их появления в сети и роста вычислительной мощности могут предоставить вам некоторые новые инструменты, но выяснить, как их программировать и как применять в определенных приложениях, - большой вопрос», - сказал Оутс.

Квантовые биты, в отличие от двоичных битов в стандартном компьютере, могут существовать более чем в одном состоянии одновременно. Эта концепция известна как суперпозиция. Измерение состояния квантового бита - или кубита - заставляет его терять это особое состояние, поэтому квантовые компьютеры работают, вычисляя вероятность состояния кубита до того, как оно будет обнаружено.

Специализированные квантовые компьютеры, известные как квантовые отжигатели, являются одним из инструментов для выполнения этого типа вычислений. Они работают, представляя каждое состояние кубита как уровень энергии. Самое низкое энергетическое состояние среди его кубитов дает решение проблемы. В результате получается машина, которая может обрабатывать сложные, взаимосвязанные системы, на вычисление которых обычному компьютеру потребовалось бы очень много времени - например, построение нейронной сети.

Одним из способов построения нейронных сетей является использование ограниченной машины Больцмана, алгоритма, который использует вероятность для обучения на основе входных данных, поступающих в сеть. Оутс и Сюй нашли способ автоматически вычислить важный параметр, связанный с эффективной температурой, который используется в этом алгоритме. Машины Больцмана с ограничениями обычно вместо этого предполагают этот параметр, который требует тестирования для подтверждения и может изменяться всякий раз, когда компьютер просят исследовать новую проблему.

«Этот параметр модели повторяет то, что делает квантовый отжигатель, - сказал Оутс. - Если вы можете точно оценить это, вы сможете более эффективно обучить свою нейронную сеть и использовать ее для прогнозирования».

Уильям Оутс, профессор машиностроения Cummins Inc. и заведующий кафедрой машиностроения инженерного колледжа FAMU-FSU

Команда под руководством Кристофа Утшика (Christoph Utschick) и проф. Рудольфа Гросса (Rudolf Gross), физиков из Технического университета Мюнхена (TUM), разработала катушку со сверхпроводящими проводами, способную передавать мощность в диапазоне более 5 кВт бесконтактно и с небольшими потерями. Широкая область возможных применений включает автономные промышленные роботы, медицинское оборудование, транспортные средства и даже самолеты.

Бесконтактная передача энергии уже зарекомендовала себя как ключевая технология, когда дело доходит до зарядки небольших устройств, таких как мобильные телефоны и электрические зубные щетки. Пользователи также хотели бы, чтобы бесконтактная зарядка была доступна для более крупных электрических машин, таких как промышленные роботы, медицинское оборудование и электромобили.

Такие устройства можно ставить на зарядную станцию, когда они не используются. Это позволит эффективно использовать даже короткие периоды простоя для подзарядки батарей. Однако доступные в настоящее время системы передачи энергии для высокопроизводительной подзарядки в диапазоне киловатт и выше являются большими и тяжелыми, поскольку они основаны на медных катушках.

Работая в партнерстве с компаниями Würth Elektronik eiSos и специалистом по сверхпроводящим покрытиям Theva Dünnschichttechnik, команде физиков во главе с Кристофом Утшиком и Рудольфом Гроссом удалось создать катушку со сверхпроводящими проводами, способную бесконтактно передавать энергию более пяти киловатт (кВт) и без значительных потерь.

Это означало, что исследователям пришлось преодолеть трудности. Незначительные потери переменного тока также возникают в сверхпроводящих передающих катушках. Эти потери растут по мере увеличения характеристик передачи, что имеет решающее влияние: температура поверхности сверхпроводящих проводов повышается, и сверхпроводимость разрушается.

Исследователи разработали особую конструкцию катушки, в которой отдельные обмотки катушки отделены друг от друга прокладками. «Этот трюк значительно снижает потери переменного тока в катушке, - говорит Кристоф Утшик. - В результате возможна передача энергии в диапазоне киловатт».

Команда выбрала диаметр катушки для своего прототипа, что привело к более высокой удельной мощности, чем это возможно в коммерчески доступных системах. «Основная идея сверхпроводящих катушек состоит в том, чтобы достичь минимально возможного сопротивления переменному току в пределах минимально возможного пространства обмотки и, таким образом, компенсировать уменьшенную геометрическую связь», - говорит Утшик.

Это призвало исследователей разрешить фундаментальный конфликт. Если бы они сделали расстояние между обмотками сверхпроводящей катушки небольшим, катушка была бы очень компактной, но возникла бы опасность коллапса сверхпроводимости во время работы. С другой стороны, большее разделение приведет к более низкой плотности мощности.

«Мы оптимизировали расстояние между отдельными обмотками с помощью аналитического и численного моделирования, - отметил Утшик. - Расстояние примерно равно половине ширины ленточного проводника». Теперь исследователи хотят работать над дальнейшим увеличением передаваемой мощности.

Если они добьются успеха, откроются двери для большого количества очень интересных областей применения, например, использования в промышленной робототехнике, автономных транспортных средствах и высокотехнологичном медицинском оборудовании. Утшик даже представляет себе электрические гоночные автомобили, которые можно динамически заряжать на гоночной трассе, а также автономные электрические летательные аппараты.

Однако широкое применение системы все еще сталкивается с препятствиями. Змеевики требуют постоянного охлаждения жидким азотом, а используемые охлаждающие сосуды не могут быть металлическими. В противном случае стенки металлических сосудов сильно нагреваются в магнитном поле, как горшок на индукционной плите.

«Пока в продаже нет нужного криостата. Это потребует значительных усилий по дальнейшему развитию, - говорит Рудольф Гросс, профессор технической физики Мюнхенского технического университета и директор Института Вальтера-Мейснера Баварской академии естественных и гуманитарных наук. Но достигнутые к настоящему времени результаты представляют собой большой прогресс в области бесконтактной передачи энергии на высоких уровнях мощности».

Группа физиков под руководством Кристофа Утшика и д-ра Рудольфа Гросса из Технического университета Мюнхена (TUM) разработала катушку из сверхпроводящих проводов, которая может бесконтактно передавать мощность более 5 кВт без больших потерь