Консорциум в Великобритании разработал спецификацию уровня абстракции оборудования, которая может позволить операционной системе работать на квантовых компьютерах, построенных на основе различных типов технологий.

Одним из основных препятствий, мешающих развитию квантовых операционных систем, является то, что отрасль еще не объединилась вокруг одного типа технологий, будь то захваченные ионы, сверхпроводящие кубиты, кремниевые кубиты или фотоны. Хотя многие подходы демонстрируют признаки многообещающего, пока рано говорить, какой из них решит основные проблемы масштабируемости и уменьшения количества ошибок, говорит разработчик операционной системы Riverlane.

Сегодня большинство компаний, производящих оборудование, используют свою собственную архитектуру. Это означает, что разработчикам приходится оптимизировать приложения для одного квантового оборудования, что увеличивает затраты и ограничивает возможности совместной работы.

Консорциум запустил уровень абстракции оборудования с открытым исходным кодом (HAL), который позволит высокоуровневым пользователям квантовых компьютеров, таким как разработчики приложений, инженеры по платформам и системному программному обеспечению, а также архитекторам кроссплатформенного программного обеспечения, писать программы, которые будут взаимодействовать с несколькими видами квантового оборудования.

HAL был разработан Riverlane совместно с Национальной физической лабораторией Великобритании (NPL) и разработчиком процессоров ARM, а также SeeQC, Hitachi Europe, Universal Quantum, Duality Quantum Photonics, Oxford Ionics и Oxford Quantum Circuits.

HAL общедоступен на Github, что позволяет пользователям запускать приложения на нескольких различных кубитных технологиях и адаптироваться к тонкостям каждого аппаратного подхода.

Стандартный уровень аппаратной абстракции (HAL) для наиболее популярных квантовых компьютерных технологий разрабатывается британским консорциумом, в который входят ARM, Hitachi и Riverlane

Исследователи из Технологического университета Чалмерса, Швеция, представляют уникальный оптический усилитель, который, как ожидается, произведет революцию как в космической, так и в оптоволоконной связи. Новый усилитель обладает высокими характеристиками, достаточно компактен, чтобы его можно было интегрировать в микросхему размером всего несколько миллиметров, и, что особенно важно, не генерирует лишних шумов.

«Это можно сравнить с переключением со старого коммутируемого Интернета на современный широкополосный доступ, с высокой скоростью и качеством», - говорит профессор Питер Андрексон (Peter Andrekson), руководитель лаборатории фотоники при отделении микротехнологии и нанонауки в Чалмерсе.

Оптическая связь позволяет передавать информацию на очень большие расстояния. Технология полезна в ряде приложений, таких как космическая связь и оптоволоконные кабели для интернет-трафика.

С помощью связи, основанной на свете, а не на радиоволнах, мы могли бы, например, быстро отправлять изображения с высоким разрешением с Марса. Информация, переносимая лазерными лучами, могла быть отправлена с высокой скоростью от передатчика на планете к приемнику на Земле или на Луне. Оптическая связь также позволяет нам использовать Интернет по всему миру - независимо от того, передается ли сигнал по оптоволоконным кабелям под морским дном или передается по беспроводной сети.

Поскольку свет, несущий информацию между двумя удаленными точками, теряет мощность по пути, необходимо большое количество оптических усилителей. Без усилителей до 99% сигнала в оптоволоконном кабеле исчезло бы в пределах 100 километров.

Однако хорошо известная проблема оптической связи заключается в том, что эти усилители добавляют избыточный шум, значительно ухудшающий качество сигнала, который вы хотите отправить или получить. Теперь исследователи из Чалмерса представляют чрезвычайно многообещающее решение проблемы, существовавшей десятилетиями.

«Мы разработали первый в мире оптический усилитель, который значительно увеличивает дальность действия, чувствительность и характеристики оптической связи, не генерирует лишних шумов, а также достаточно компактен, чтобы его можно было использовать на практике», - говорит Пин Чжао (Ping Zhao), постдок в Лаборатории фотоники в Чалмерсе и один из ведущих авторов научной статьи, опубликованной в журнале Science Advances.

Усиление света в проекте основано на принципе, известном как эффект Керра, до сих пор являющийся единственным известным подходом, который усиливает свет, не вызывая значительного избыточного шума. Этот принцип был демонстрирован и раньше, но никогда в таком компактном формате - предыдущие версии были слишком громоздкими, чтобы быть полезными.

Новый усилитель помещается в небольшой чип размером всего несколько миллиметров, тогда как предыдущие усилители были в несколько тысяч раз больше.

Кроме того, новые усилители предлагают достаточно высокий уровень производительности, чтобы их можно было размещать более экономно, что делает их более экономичным вариантом. Они также работают в режиме непрерывной волны (CW), а не только в импульсном режиме.

«То, что мы демонстрируем здесь, представляет собой первую работу в непрерывном режиме с чрезвычайно низким уровнем шума в компактном интегрированном чипе. Это дает реальную возможность для практического использования в различных приложениях. Поскольку можно встраивать усилитель в очень маленькие модули, вы можете получить более дешевые решения с гораздо более высокой производительностью, что делает это очень интересным для коммерческих игроков в долгосрочной перспективе. Новые результаты также открывают двери для совершенно новых приложений как в технологии, так и в науке», - объясняет Питер Андрексон.

Новый усилитель обладает высокими характеристиками, достаточно компактен, чтобы его можно было интегрировать в микросхему размером всего в миллиметры, и не генерирует лишних шумов

Квантовые компьютеры развиваются быстрыми темпами и уже начинают расширять возможности крупнейших суперкомпьютеров в мире. Тем не менее, эти устройства чрезвычайно чувствительны к внешним воздействиям и, следовательно, подвержены ошибкам, которые могут изменить результат вычислений. Это особенно сложно для квантовых вычислений, которые недоступны для наших надежных классических компьютеров, где мы больше не можем независимо проверять результаты с помощью моделирования. «Чтобы в полной мере использовать преимущества будущих квантовых компьютеров для критических вычислений, нам нужен способ гарантировать, что результат будет правильным, даже если мы не сможем выполнить рассматриваемый расчет другими способами», - говорит Кьяра Греганти (Chiara Greganti) из Венского университета.

Чтобы решить эту проблему, команда разработала и внедрила новую процедуру перекрестной проверки, которая позволяет проверять результаты вычислений, выполненных на одном устройстве, с помощью связанных, но принципиально разных вычислений на другом устройстве. «Мы просим разные квантовые компьютеры выполнять разные случайные вычисления, - объясняет Мартин Рингбауэр (Martin Ringbauer) из Университета Инсбрука. - Чего не знают квантовые компьютеры, так это того, что существует скрытая связь между вычислениями, которые они делают». Используя альтернативную модель квантовых вычислений, основанную на структурах графов, команда может производить множество различных вычислений из общего источника. «Хотя результаты могут казаться случайными, а вычисления могут отличаться, есть определенные результаты, которые должны согласовываться, если устройства работают правильно».

Команда реализовала свой метод на пяти современных квантовых компьютерах с использованием четырех различных аппаратных технологий: сверхпроводящие схемы, захваченные ионы, фотоника и ядерный магнитный резонанс. Это говорит о том, что метод работает на текущем оборудовании без каких-либо особых требований. Команда также продемонстрировала, что эту технику можно использовать для проверки одного устройства на себе. Поскольку эти два вычисления очень разные, два результата будут согласованы только в том случае, если они также верны. Еще одно ключевое преимущество нового подхода состоит в том, что исследователям не нужно смотреть на полный результат вычислений, что может занять очень много времени. «Достаточно проверить, как часто разные устройства согласуются в тех случаях, когда они должны, что можно сделать даже для очень больших квантовых компьютеров», - говорит Томмазо Демари (Tommaso Demarie) из Entropica Labs в Сингапуре. По мере того, как становится доступным все больше и больше квантовых компьютеров, этот метод может стать ключом к тому, чтобы убедиться, что они делают то, что рекламируется.

Исследование, направленное на то, чтобы сделать квантовые компьютеры заслуживающими доверия, является совместным усилием университетских ученых и экспертов индустрии квантовых вычислений из нескольких компаний. «Это тесное сотрудничество академических кругов и промышленности - вот что делает эту работу уникальной с социологической точки зрения, - делится Джо Фитцсаймонс (Joe Fitzsimons) из Horizon Quantum Computing в Сингапуре. - В то время как некоторые исследователи постепенно переходят в компании, они продолжают вносить свой вклад в общие усилия, направленные на то, чтобы квантовые вычисления были надежными и полезными».

Несколько квантовых компьютеров, использующих разное оборудование, тестируют друг друга, позволяя им выполнять произвольно выглядящие вычисления, которые связаны структурой скрытого графа

Хотя были предложены крупномасштабные квантовые сети, но пока их не существует. Некоторые компоненты таких сетей изучаются, но механизм управления такой крупномасштабной сетью еще не разработан. В статье AVS Quantum Science от AIP Publishing исследователи описывают, как чувствительная ко времени плоскость управления сетью может быть ключевым компонентом работоспособной квантовой сети.

Квантовые сети похожи на классические сети. Информация проходит через них, обеспечивая средства связи между устройствами на расстоянии. Квантовые сети перемещают по сети квантовые биты информации, называемые кубитами.

Эти кубиты обычно являются фотонами. Благодаря квантовым явлениям суперпозиции и запутанности они могут передавать гораздо больше информации, чем классические биты, которые ограничены логическими состояниями 0 и 1. Успешная передача кубита на большие расстояния требует точного управления и синхронизации.

В дополнение к хорошо понятным требованиям к расстоянию и скорости передачи данных, чтобы квантовые сети могли быть полезными в реальных условиях, необходимо учитывать как минимум два других требования.

Один из них - это управление сетью в режиме реального времени, в частности, зависящие от времени сети. Этот метод управления, учитывающий сетевой трафик, успешно использовался в других типах сетей, таких как Ethernet, для обеспечения передачи и приема сообщений в точное время. Это именно то, что требуется для управления квантовыми сетями.

Второе требование - это стоимость. Широкомасштабное внедрение промышленной квантовой сети произойдет только в том случае, если можно будет значительно снизить затраты. Один из способов снижения затрат - использование фотонных интегральных схем.

«Значение квантовых технологий в промышленности должно быть благоприятным, прежде чем они будут приняты, - сказал автор Стивен Буш (Stephen Bush). - В частности, должно существовать «квантовое преимущество», при котором квантовая технология способна превзойти классическую технологию (вычисления, связь или зондирование)».

Пока что ни одна квантовая технология не продемонстрировала такого преимущества, но ученые работают над созданием тестов для достижения этой цели.

«Возможность масштабировать количество соединений квантовых сетей является важным требованием, которое необходимо решить», - сказал Буш.

Одной из областей, представляющих интерес для квантовых сетей, является кибербезопасность. Эти приложения могут включать метод, известный как квантовое распределение ключей, или QKD, когда две стороны совместно используют случайный секретный ключ, известный только им, который может использоваться для шифрования и дешифрования сообщения.

Однако использование QKD потребует стандартизации и сертификации, которые находятся на ранних стадиях разработки.

«Правительственные постановления, предписывающие использование QKD, не могут быть приняты до тех пор, пока не будет достигнут консенсус в отношении того, как безопасность проверяется и сертифицируется доверенной организацией», - сказал Буш.

Несмотря на проблемы, которые необходимо преодолеть, авторы считают, что отрасль обладает технологическими возможностями для создания функционирующих квантовых сетей.

Механизм управления предлагаемой квантовой сетью

Исследователи из Сиднейского технологического университета (UTS) и TMOS, Центра передового опыта Австралийского исследовательского совета, предприняли гигантский шаг в борьбе с онлайн-хакерами в направлении реализации недорогих и доступных квантовых коммуникаций - технологии, которая могла бы эффективно предотвращать расшифровку онлайн-активности. Все, от обмена сообщениями в социальных сетях до банковского дела, может стать более безопасным благодаря новой технологии, созданной с помощью простого куска клейкой ленты.

Квантовая связь все еще находится на ранней стадии развития и в настоящее время возможна только в очень ограниченных областях из-за затрат, связанных с изготовлением необходимых устройств. Исследователи из TMOS разработали новую технологию, которая объединяет квантовые источники и волноводы на кристалле, обеспечивая доступность и масштабируемость и открывая путь для повседневного использования в будущем.

Развитию полнофункциональных технологий квантовой связи ранее препятствовало отсутствие надежных квантовых источников света, которые могли бы кодировать и передавать данные.

В статье, опубликованной в ACS Photonics, команда описывает новую платформу для генерации этих квантовых излучателей на основе гексагонального нитрида бора, также известного как белый графен. В то время как современные квантовые излучатели создаются сложными методами в дорогих чистых помещениях, эти новые квантовые излучатели могут быть созданы с использованием белого графена стоимостью 20 долларов, прижатого к куску липкой ленты.

Главный исследователь TMOS Игорь Агаронович сказал: «2D-материалы, такие как гексагональный нитрид бора, являются новыми материалами для интегрированной квантовой фотоники и готовы повлиять на то, как мы проектируем и конструируем будущие оптические компоненты для защищенной связи».

В дополнение к этой эволюции источников фотонов, команда разработала встроенный в кристалл высокоэффективный волновод, жизненно важный компонент для встроенной оптической обработки.

Ведущий автор Чи Ли сказал: «Низкие уровни сигнала были серьезным препятствием, мешающим квантовым коммуникациям превратиться в практичные, работоспособные модели. Мы надеемся, что с этой новой разработкой квантовая связь станет повседневной технологией, которая улучшит жизнь людей новыми и захватывающими способами».

Используя скромный кусок липкой ленты, исследовательская группа разработала технологию, которая могла бы эффективно предотвращать расшифровку онлайн-активности

Ученые получили самую четкую картину электронных частиц, которые составляют загадочное магнитное состояние, называемое квантовой спиновой жидкостью (КСЖ).

Это достижение может способствовать разработке сверхбыстрых квантовых компьютеров и энергоэффективных сверхпроводников.

Ученые первыми сделали снимок того, как электроны в КСЖ разделяются на спиноподобные частицы, называемые спинонами, и зарядоподобные частицы, называемые чаргонами (chargons).

«В других исследованиях наблюдались различные следы этого явления, но у нас есть реальная картина состояния, в котором живет спинон. Это что-то новое», - сказал руководитель исследования Майк Кромми (Mike Crommie), старший научный сотрудник Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли (Berkeley Lab) и профессор физики в Калифорнийском университете.

«Спиноны похожи на призрачные частицы. Они похожи на Bigfoot (мифическое существо) квантовой физики - люди говорят, что видели их, но трудно доказать, что они существуют, - сказал соавтор Сун-Квань Мо (Sung-Kwan Mo), штатный научный сотрудник Усовершенствованный источник света лаборатории Беркли. - С помощью нашего метода мы предоставили одни из лучших доказательств на сегодняшний день».

В КСЖ спиноны свободно перемещаются, неся тепло и спин, но без электрического заряда. Чтобы обнаружить их, большинство исследователей полагались на методы, которые ищут их тепловые сигнатуры.

Теперь, как сообщается в журнале Nature Physics, Кромми, Мо и их исследовательские группы продемонстрировали, как охарактеризовать спиноны в КСЖ, непосредственно отображая, как они распределены в материале.

Чтобы начать исследование, группа Мо из Advanced Light Source (ALS) лаборатории в Беркли вырастила однослойные образцы диселенида тантала (1T-TaSe2) толщиной всего в три атома. Этот материал является частью класса материалов, называемых дихалькогенидами переходных металлов (TMDC). Исследователи в команде Мо являются экспертами в молекулярно-лучевой эпитаксии, методике синтеза атомно тонких кристаллов TMDC из составляющих их элементов.

Затем группа Мо охарактеризовала тонкие пленки с помощью фотоэмиссионной спектроскопии с угловым разрешением - метода, в котором используются рентгеновские лучи, генерируемые в ALS.

Используя метод микроскопии, называемый сканирующей туннельной микроскопией (СТМ), исследователи из лаборатории Кромми, в том числе соавторы Вэй Руань (Wei Ruan) и И Чень (Yi Chen), вводили электроны металлической иглой в образец TMDC диселенида тантала.

Изображения, полученные с помощью СТМ - метода визуализации, который измеряет, как частицы располагаются при определенной энергии - выявили кое-что совершенно неожиданное: покрывающий поверхность материала слой загадочных волн с длинами волн больше 1 нм.

«Длинные волны, которые мы видели, не соответствовали никакому известному поведению кристалла, - сказал Кромми. - Мы долго ломали голову. Что могло вызвать такие длинноволновые модуляции в кристалле? Мы одно за другим исключили общепринятые объяснения. Мы не догадывались, что это сигнатура спинонных частиц-призраков».

С помощью теоретика из Массачусетского технологического института исследователи поняли, что когда электрон вводится в КСЛ из зонда СТМ, он распадается на две разные частицы внутри КСЖ - спиноны (также известные как частицы-призраки) и чаргоны. Это происходит из-за своеобразного способа, которым спин и заряд в КСЖ коллективно взаимодействуют друг с другом. Призрачные частицы спиноны в конечном итоге по отдельности несут спин, в то время как чаргоны по отдельности несут электрический заряд.

В текущем исследовании изображения STM / STS показывают, что чаргоны замерзают на месте, образуя то, что ученые называют волной зарядовой плотности звезды Давида. Между тем, спиноны претерпевают «внетелесный опыт», поскольку они отделяются от неподвижных чаргонов и свободно перемещаются через материал, сказал Кромми. «Это необычно, поскольку в обычном материале электроны переносят спин и заряд, объединенные в одной частице, когда они движутся, - объяснил он. - Обычно они не распадаются таким забавным образом».

Кромми добавил, что однажды КСЖ могут стать основой надежных квантовых битов (кубитов), используемых для квантовых вычислений. Понимание того, как спиноны и чаргоны ведут себя в КСЖ, может помочь продвинуть исследования в этой области вычислений следующего поколения.

Художественная иллюстрация призрачных частиц, движущихся в квантовой спиновой жидкости

Студентка из Университета Суррея обнаружила способ подавления эффектов горячих носителей, от которых страдают устройства, использующие архитектуру тонкопленочных транзисторов, такие как умные часы и солнечные панели.

Эффекты горячих носителей возникают, когда нежелательная энергия электронов накапливается в определенных областях транзисторов, что приводит к ненадежной работе устройств.

В своем проекте Леа Мотте (Lea Motte) изучала новое устройство, мультимодальный транзистор, альтернативу обычным тонкопленочным транзисторам, изобретенное и разработанное кандидатом наук Евой Бестелинк (Eva Bestelink) и научным руководителем д-ром Раду Спореа (Radu Sporea) из Суррея.

Леа использовала определяющую особенность мультимодальных транзисторов, разделяя управление для ввода электронов в устройство и позволяя им перемещаться по транзистору. С помощью компьютерного моделирования Леа обнаружила, что выбор правильного напряжения для приложения к области управления транспортировкой может предотвратить нежелательные эффекты горячих носителей. Кроме того, оно гарантирует, что ток через транзистор остается постоянным в широком диапазоне рабочих условий.

В статье, опубликованной в журнале Advanced Electronic Materials, Ева Бестелинк систематически изучает открытие Леа необычного поведения в мультимодальных транзисторах, подтверждая его измерениями на микрокристаллических кремниевых транзисторах и выполняя обширное моделирование устройства, чтобы понять физику устройства, лежащую в основе его уникальной способности.

Это открытие означает, что будущие технологии, использующие мультимодальные транзисторы, могут быть более энергоэффективными и могут привести к появлению высокопроизводительных усилителей, которые необходимы для измерения сигналов от датчиков окружающей среды и биологических датчиков.

Ева Бестелинк, ведущий автор исследования, сказала: «Теперь у нас есть лучшее понимание того, что может предложить мультимодальный транзистор, если он сделан из материалов, которые создают многочисленные проблемы для обычных устройств. Для проектировщиков схем эта работа предлагает понимание того, как эксплуатировать устройство для достижения оптимальных характеристик. В долгосрочной перспективе мультимодальный транзистор предлагает альтернативу новым высококачественным материалам, где традиционные решения больше не применимы».

В своем проекте Леа Мотте изучала новое устройство - мультимодальный транзистор, альтернативу обычным тонкопленочным транзисторам, изобретенное и разработанное кандидатом наук Евой Бестелинк и научным руководителем д-ром Раду Спореа из Суррея

«Никто не любит пароли», - говорит директор по информационной безопасности Microsoft. Вот как софтверный гигант избавляется от них навсегда.

В качестве CISO Microsoft Брет Арсено (Bret Arsenault) отвечает за защиту продуктов Microsoft и внутренних сетей, используемых 160 тыс сотрудниками. Если еще сюда добавить поставщиков, он отвечает примерно за 240 тыс учетных записей по всему миру. А избавление от паролей и замена их лучшими опциями, такими как многофакторная аутентификация (MFA), занимает одно из первых мест в его списке дел.

Microsoft поэтапно обновляла свою политику паролей. В январе 2019 г. компания перешла на один год на использование телеметрии для проверки эффективности. По результатам, в январе 2020 г. этот проект перевели на неограниченный срок действия.

Вместо того, чтобы вести разговор о повсеместном размещении MFA, он предложил устранить пароли.

«Я помню, что у нас был девиз: повсюду использовать MFA. Оглядываясь назад, это была правильная цель безопасности, но неправильный подход. Сделайте это с учетом результатов пользователя, поэтому переходите к тезису «мы хотим устранить пароли». Но слова, которые вы используете, имеют значение. Оказалось, что простой языковой сдвиг изменил культуру и представление о том, что мы пытались достичь. Что еще более важно, он изменил наш дизайн и то, что мы создали, например, Windows Hello для бизнеса, - говорит он. Если я устраню пароли и использую любую форму биометрии, это будет намного быстрее, и опыт станет намного лучше».

На компьютерах с Windows 10 эта биометрическая безопасность обеспечивается Windows Hello.

«Сегодня 99,9% наших пользователей не вводят пароли в своей среде. Тем не менее - прогресс важнее совершенства - все еще существуют устаревшие приложения, которые по-прежнему запрашивают пароль», - говорит он. Однако это еще не конец битвы. Только 18% клиентов Microsoft включили MFA.

Эта цифра кажется абсурдно низкой, учитывая, что включение MFA является бесплатным для клиентов Microsoft, но, как показывает программа-вымогатель, компрометация только одной ключевой внутренней учетной записи может привести к многомиллионным потерям.

Защита учетных записей с помощью MFA не остановит злоумышленников полностью, но усложняет их жизнь, защищая организацию от присущих им слабых мест в именах пользователей и паролях для защиты учетных записей, которые могут быть подвергнуты фишингу или скомпрометированы с помощью атак с «разбрызгиванием» паролей (password spraying).

Последний метод, основанный на повторном использовании пароля, был одним из способов взлома злоумышленниками SolarWinds целей, помимо взлома систем сборки программного обеспечения компании для распространения испорченного обновления ПО.

Microsoft движется к гибридному режиму работы и, чтобы поддержать это движение, она продвигает проект сети с нулевым доверием, которое предполагает, что сеть была взломана, что сеть выходит за пределы корпоративного брандмауэра и обслуживает устройства BYOD.

Но как заставить большее количество организаций использовать MFA в критически важных корпоративных продуктах Microsoft, Google, Oracle, SAP и других важных поставщиков программного обеспечения?

Для организаций, которые хотят использовать MFA, Арсено рекомендует в первую очередь нацеливаться на учетные записи с высоким уровнем риска и работать над прогрессом, а не над совершенствованием. Самая большая проблема - это устаревшие приложения, но, стремясь к совершенству, можно увязнуть.

Тут по ходу дела возникает сложный вопрос о SolarWinds и о том, как Microsoft, чей бизнес в области кибербезопасности оценивается в 10 млрд. долл., была атакована российскими правительственными хакерами. В феврале компания заявила, что инцидент нанес ей минимальный ущерб, но, тем не менее, брешь существовала. Президент Microsoft Брэд Смит назвал взлом «моментом расплаты», потому что клиенты, включая саму Microsoft, больше не могут доверять ПО, которое они получают от проверенных поставщиков.

«Мы увидели, что цепочка поставок - это слабое место. Чтобы понять, как мы думаем о поставщиках, нам нужен способ масштабируемой видимости. Я намерен взять концепцию Zero Trust для информационных работников и применить ее к цепочке поставок ПО, которая не является строкой кода и не имеет подтвержденной идентичностью с исправного устройства», - отмечает Брет Арсено.

Делая шаг к будущему устройств памяти с более высокой производительностью, исследователи из Национального Тайваньского педагогического университета и Университета Кюсю разработали новое устройство, которому требуется только один полупроводник, известный как перовскит, для одновременного хранения и визуальной передачи данных.

Объединив светоизлучающую электрохимическую ячейку с резистивной памятью с произвольным доступом, которые обе основаны на перовските, команда достигла параллельного и синхронного считывания данных как электрически, так и оптически в «светоизлучающей памяти».

На самом фундаментальном уровне цифровые данные хранятся как базовая единица информации, известная как бит, который часто представлен либо как единица, либо как ноль. Таким образом, стремление к лучшему хранению данных сводится к поиску более эффективных способов хранения и чтения этих единиц и нулей.

Хотя флеш-память стала чрезвычайно популярной, исследователи искали альтернативы, которые могли бы еще больше повысить скорость и упростить производство.

Одним из кандидатов является энергонезависимая резистивная память с произвольным доступом или RRAM. Вместо хранения заряда в транзисторах, как во флэш-памяти, в резистивной памяти используются материалы, которые могут переключаться между состояниями высокого и низкого сопротивления для представления единиц и нулей.

«Но электрические измерения, необходимые для проверки сопротивления и считывания нулей и единиц из RRAM, могут ограничить общую скорость, - объясняет Чунь-Чи Чан (Chun-Chieh Chang), профессор Национального Тайваньского педагогического университета и один из авторов исследования, опубликованного в Nature Communications. - Недавно, чтобы решить эту проблему, RRAM были объединены со светодиодами для разработки так называемой светоизлучающей памяти. В этом случае данные также можно прочитать, проверив, включен ли светодиод или нет. Это дополнительное оптическое считывание также открывает новые возможности. маршруты для передачи большого количества информации».

Однако предыдущие версии светоизлучающих запоминающих устройств требовали интеграции двух отдельных устройств из разных материалов, что усложняло производство.

Чтобы преодолеть это, исследователи обратились к перовскиту, типу материала с кристаллической структурой, через которую ионы могут мигрировать, придавая ему уникальные физические, оптические и даже электрические свойства. Контролируя миграцию ионов, исследователи создают новые материалы с уникальными свойствами.

«Используя всего один слой перовскита между контактами, мы могли бы изготовить устройство, которое работает как в качестве RRAM, так и в качестве светоизлучающего электрохимического элемента, - объясняет Я-Джу Ли (Ya-Ju Lee) из Национального Тайваньского педагогического университета, который также руководил исследованием. - Воспользовавшись преимуществом быстрого, электрически переключаемого движения ионов, которое обеспечивает эту двойную функциональность в одном слое перовскита, мы смогли соединить два устройства вместе и разработать полностью неорганическую перовскитную светоизлучающую память».

Используя перовскит, состоящий из бромида цезия-свинца (CsPbBr3), команда продемонстрировала, что данные могут быть электрически записаны, удалены и прочитаны в одном из перовскитных устройств, действующих как RRAM. Одновременно второе перовскитное устройство может оптически передавать информацию о том, записываются или стираются данные, посредством излучения света, работая как светоизлучающая электрохимическая ячейка с высокой скоростью передачи.

Кроме того, исследователи использовали перовскитные квантовые точки двух разных размеров для двух устройств в светоизлучающей памяти, чтобы получить разные цвета излучения в зависимости от того, записывалась память или стиралась, обеспечивая индикатор единиц и нулей в реальном времени.

Каору Тамада (Kaoru Tamada), профессор Института химии материалов и инженерии Университета Кюсю, который также принимал участие в проекте, видит много возможностей для развития этой новой технологии.

«Эта демонстрация значительно расширяет область применения разработанной полностью перовскитной светоизлучающей памяти и может служить новой парадигмой синергетического сочетания электронных и фотонных степеней свободы в перовскитных материалах, - говорит Тамада. - От многоадресных ячеистых сетей до систем шифрования данных, эти результаты могут найти множество приложений в технологиях следующего поколения».

.

Рендеринг художника демонстрирует возможности устройства CsPbBr3 LEM для параллельной оптической и электрической передачи закодированной информации. Перовскитный LEM может излучать два цвета: зеленый и голубой. Эти два цвета могут служить индикатором цифрового состояния ЛЭМ в режиме реального времени, т. Е. Записи или стирания. Исследователи показали, что такая бесшовная интеграция фотонной эмиссии и электрического резистивного переключения откроет новые горизонты для более совершенных оптоэлектронных технологий на основе перовскита

Группа исследователей обнаружила магнитные явления в антиферромагнетиках, которые могут проложить путь к более быстрому и эффективному хранению данных.

Как магнитные волны ведут себя в антиферромагнетиках, и как они распространяются? Какую роль в этом процессе играют «доменные стенки»? И что это может означать для будущего хранения данных? Этим вопросам была посвящена недавняя публикация в журнале Physical Review Letters международной исследовательской группы под руководством физика д-ра Дэвиде Боссини (Dr Davide Bossini). Команда сообщает о магнитных явлениях в антиферромагнетиках, которые могут быть вызваны сверхбыстрыми (фемтосекундными) лазерными импульсами, и о потенциале наделять материалы новыми функциями для энергоэффективных и сверхбыстрых приложений хранения данных.

Стремительно растущее использование технологий больших данных и облачных сервисов означает, что глобальный спрос на хранение данных постоянно растет наряду с потребностью во все более быстрой их обработке. В то же время существующие на данный момент технологии не смогут идти в ногу вечно. «По оценкам, растущий спрос может быть удовлетворен только в течение ограниченного периода, около 10 лет, если за это время не будут разработаны новые, более эффективные технологии хранения и обработки данных», - говорит ведущий автор исследования д-р Боссини из Университета Констанц.

Чтобы предотвратить кризис данных, будет недостаточно просто продолжать строить все больше и больше центров обработки данных, работающих на современном уровне техники. Технологии будущего также должны быть более быстрыми и энергоэффективными, чем традиционные хранилища данных на основе магнитных жестких дисков. Один класс материалов, антиферромагнетики, является многообещающим кандидатом для развития информационных технологий следующего поколения.
Антиферромагнетики не имеют суммарной намагниченности и, следовательно, не оказывают магнитного воздействия на окружающую среду. Однако внутри эти антиферромагнитные тела, которые в изобилии встречаются в природе, разделены на множество меньших областей, называемых доменами, где противоположно ориентированные магнитные моменты ориентированы в разных направлениях. Домены отделены друг от друга переходными областями, известными как «доменные стенки». «Хотя эти переходные области хорошо известны в антиферромагнетиках, до сих пор мало что было известно о влиянии доменных границ на магнитные свойства антиферромагнетиков, особенно в течение чрезвычайно коротких интервалов времени», - говорит д-р Боссини.

В статье исследователи описывают, что происходит, когда антиферромагнетики (точнее, кристаллы оксида никеля) подвергаются воздействию сверхбыстрых (фемтосекундных) лазерных импульсов. Фемтосекундная шкала настолько мала, что даже свет может перемещаться только на очень небольшое расстояние за этот отрезок времени. За одну квадриллионную долю секунды (одну фемтосекунду) свет проходит всего 0,3 микрометра, что эквивалентно диаметру небольшой бактерии.

Международная группа исследователей обнаружила, что доменные стенки играют активную роль в динамических свойствах антиферромагнетика оксида никеля. Эксперименты показали, что магнитные волны с разными частотами могут индуцироваться, усиливаться и даже связываться друг с другом в разных доменах - но только при наличии доменных стенок. «Наши наблюдения показывают, что повсеместное присутствие доменных стенок в антиферромагнетиках потенциально может быть использовано для наделения этих материалов новыми функциональными возможностями в сверхбыстрых масштабах», - объясняет Боссини.

Способность связывать различные магнитные волны через доменные стенки подчеркивает потенциал активного управления распространением магнитных волн во времени и пространстве, а также передачей энергии между отдельными волнами в фемтосекундном масштабе. Это предварительное условие для использования этих материалов для сверхбыстрого хранения и обработки данных.
Такие технологии хранения данных на основе антиферромагнетиков будут на несколько порядков быстрее и энергоэффективнее, чем существующие. Они также смогут хранить и обрабатывать больший объем данных. Поскольку материалы не имеют суммарной намагниченности, они также будут менее уязвимы для неисправностей и внешних манипуляций.

Исследовательская группа с участием Университета Констанца обнаружила магнитные явления в антиферромагнетиках, которые могут проложить путь к развитию более быстрого и эффективного хранения данных