Хранение закодированных с помощью света сообщений на пленках, компакт-дисках и голограммах довольно распространено. Но теперь световые сигналы могут быть сохранены как изображение на парах атомов при комнатной температуре.

Ученые из Объединенного института квантовой физики (JQI) сохранили две буквы алфавита в небольшой ячейке, наполненной атомами рубидия, которые смогли абсорбировать и позже переизлучить сообщение по требованию. Впервые два изображения одновременно были надежно сохранены в газообразной среде и затем воспроизведены.

По сути, это первый записанный и воспроизведенный атомный фильм. Новый процесс сохранения разработал Поль Летт (Paul Lett) и его коллеги. Он может быть использован для хранения и обработки квантовой информации, что требует сохранения когерентности и изоляции от внешней среды.

Атомная среда хранения представляет собой узкую ячейку около 20 см длиной, что кажется довольно крупным для квантового устройства. Это потому, что квантовый процесс, называемый градиентной эхо-памятью (gradient echo memory, GEM), требует достаточно большого пространства.

Изображение сохраняется в любом отдельном месте ячейки в зависимости от того, подвергаются ли эти атомы в этом месте воздействию тщательно согласованных полей: полю информационного светового сигнала, управляющему полю лазера и магнитному полю, заставляющем прецессировать атомы рубидия. Когда изображение поглощается атомами в ячейке, управляющий луч выключается. Этот процесс требует одновременного воздействия двух фотонов – один переводит атом в возбужденное состояние, другой переводит его обратно в несколько измененное основное состояние, поэтому это состояние не может быть легко разрушено случайными излучениями фотонов другими атомами.

Вот почему изображение удается сохранить. Воспроизведение образа происходит с помощью в некотором смысле обратного процесса. Магнитное поле опрокидывается в противоположное направление, управляющий луч включается снова, и атомы начинают прецессировать в противоположном направлении. В конечном счете атомы переизлучаю свет и реконструируют сохраненное изображение.

Сохранив одно изображение буквы (букву N), физики затем сохранили изображение буквы Т. Два «кадра» этого фильма, продолжительностью около микросекунды, были успешно воспроизведены.

Согласно Полю Летту, одна из самых больших трудностей при сохранении информации этим методом – это удержать атомы с сохраненным изображением от диффузии, иначе изображение размывается.

Первый автор опубликованной в Optics Express статьи Квентин Глоро (Quentin Glorieux) считает, что изобретенный способ хранения информации является потенциально важным дополнением для создания квантовых сетей, оборудования, которое использует квантовые эффекты для вычислений, коммуникаций и метрологии.

Установка для градиентной эхо-памяти. Образ, буква N кодируется лазерным лучом (розовый) и маской и проходит в ячейку хранения, заполненную атомами рубидия. Компоненты этого изображения поглощаются атомами, которые находятся под воздействием трех вышеупомянутых полей (управляющий луч показан зеленым цветом, магнитная катушка – коричневым, внутри катушки - ячейка). Сохраненное изображение может позже быть считано и наблюдаемо с помощью камеры CCD.

Согласно исследованиям Керка Дорана (Kirk Doran) из Университета Notre Dame и Джорджа Борьяса (George Borjas) из Гарвардского университета, коллапс Советского Союза в 1992 г. привел к появлению советских математиков в американских институтах и изменил методы изучения математики и обучения в этой стране в разных областях их специализации.

«В своей работе мы исследовали влияние появления в США известных советских математиков на глобальное математическое сообщество, - сказал Доран. – В период между установлением и падением коммунизма советские математики работали изолировано и в более разнообразных направлениях, чем их американские коллеги. В результате некоторые области математики в США пополнились новыми учеными, теоремами и идеями».

В период существования Советского Союза (1922—1992) сотрудничество между западными и советскими математиками было слабым. Фактически любая связь с американскими математиками контролировалась властями, и требовалось специальное разрешение, чтобы опубликовать статью за пределами СССР.

«Подобно тому, как люди, говорящие на одном языке, но разделенные географически многими поколениями, создают со временем различные диалекты, так и западные и восточные математики, разделенные режимами и «железным занавесом», разработали в разных условиях очень различные направления в математике», - объяснил Доран.

Результаты изучения подтверждают, что непредсказуемый сдвиг в областях специализации не только привел к сниженной продуктивности американских математиков, чьи области специализации пересекались с советскими математиками, но также и снизил вероятность конкуренции в передовых исследованиях.

Кроме этого, американские математики среднего звена стали чаще переходить в институты с более низким рейтингом и значительно сократили свои исследования и понизили знания. В статье приведены факты, что студенты, которых обучали советские эмигранты, обладали более продолжительным творческим периодом, чем студенты из тех же институтов с другими руководителями.

Плотность MRAM, базирующейся на новых технологиях переноса спина, стала более высокой посредством размещения нескольких бит в каждой ячейке.

Спрос на твердотельную память растет благодаря появлению портативных устройств, таких как планшетные компьютеры и смартфоны. MRAM является новым типом твердотельной памяти, которая использует электрический ток для записи и чтения данных, хранящихся как направление спина электронов. Рашид Сбиаа (Rachid Sbiaa) с сотрудниками из A*STAR Data Storage Institute повысили плотность MRAM, разместив несколько бит данных в каждой из ее ячеек.

«Как технология MRAM (STT-MRAM) имеет несколько преимуществ, - сказал Сбиаа. – Она предоставляет высокую скорость операций чтение-запись, низкое энергопотребление, большой ресурс эксплуатации и легко интегрируется со стандартными полупроводниковыми технологиями». Дальнейшее уплотнение представляется проблематичным, поскольку ток записи необходимо увеличивать для обеспечения тепловой стабильности бита.

По существу запись и чтение данных в MRAM выполняется за счет прохождения тока через несколько тонких магнитных пленок. Данные записываются, если магнитные моменты электронов в электрическом токе располагаются в одном преимущественном направлении. Суммарный магнитный момент должен быть достаточно сильным, чтобы переключить направление намагниченности в магнитных слоях в то же направление, что и у спинов электронов тока.

Чтение данных выполняется посредством измерения электрического сопротивления устройства, которое зависит от того, является ли намагниченности магнитомягких и магнитожестких слоев параллельны или антипараллельны. Намагниченность магнитожесткого слоя не может быть переключена электрическим током.

Чтобы сохранить два бита, исследователи добавили второй мягкий магнитный слой. Эти два мягких магнитных слоя слегка различны, один несколько «тверже», чем другой, и поэтому могут переключаться независимо подходящим выбором силы тока. Таким образом удается закодировать четыре комбинации магнитных состояний и, соответственно, два бита данных.

Кроме этого, исследователи создали поляризацию магнитных слоев в плоскости, что улучшает вращающий эффект и, таким образом, уменьшает электрический ток, необходимый для записи данных.

И здесь не обошлось без графена. Фотодетекторы, сделанные из этого удивительного материала, могут чрезвычайно быстро обрабатывать и проводить как световые, так и электрические сигналы. При разработке фотодетекторов, устройств, которые превращают световые сигналы в электрические, использовалось такое свойство графена, как очень большая проводимость.

При оптической стимуляции графен генерирует фототок в течение пикосекунд (10 ^-12 с). Вплоть до недавнего времени не существовало достаточно быстрых методов для измерения этих процессов в графене.

Профессор Александер Холлайтнер (Alexander Holleitner) и д-р Леонард Прехтель (Leonhard Prechtel) из Технического университета Мюнхена разработали метод измерения временной динамики этого фототока. Сначала физики разработали метод повышения временного разрешения измерительной аппаратуры. Это позволило им фиксировать импульсы длительностью несколько пикосекунд.

Центральным элементом эксперимента являлся свободно подвешенный образец графена, соединенный с электрической схемой с помощью металлических контактов. Временная динамика фототока измерялась посредством так называемых копланарных полосковых линий, которые определялись с помощью специальной процедуры лазерной спектроскопии с временным разрешением. Лазерный импульс возбуждал электроны в графене, и динамика процесса наблюдалась с помощью второго лазера. Эта техника позволила физикам отследить, как в графене генерируется фототок.

В то же время ученые использовали новый метод для дальнейших исследований. Они экспериментально обнаружили, что графен при оптической стимуляции излучает в терагерцевом диапазоне частот, который лежит между инфракрасным светом и микроволновым излучением. Эти длины волн идеально подходят для контроля материалов, проверки пакетов и для определенных медицинских приложений.

Редкое сочетание электрических и магнитных свойств в готовом для производства материале может улучшить устройства электронной памяти.

Электрическое поле может перемещать облако электронов, окружающее каждый атом в твердом теле. В эффекте, известном как поляризация, центр облака слегка смещается относительно положительно заряженных ядер, что радикально изменяет оптические свойства твердого тела. Материалы, которые могут сохранять состояние поляризации даже при отсутствии внешнего электрического поля, известны как сегнетоэлектрики, и они могут дать новое направление в создании высокоплотных устройств памяти.

«Функции сегнетоэлектриков намного расширяются, если они имеют также и магнитные свойства, и если имеется сильная связь между поляризацией и намагничиванием», - пояснил Ясухиро Тагучи (Yasujiro Taguchi) из Института передовых исследований RIKEN в Wako. Тагучи с коллегами из RIKEN и из нескольких других исследовательских институтов недавно экспериментально продемонстрировали, что комплекс стронций-барий-манганит ((Sr,Ba)MnO₃) обладает этим редким сочетанием свойств.

Предыдущее экспериментальное изучение этого материала не показало признаков сегнетоэлектрика, которые предсказывало теоретическое исследование. Проблема заключалась в неудовлетворительном соотношении атомов бария и стронция: традиционная техника выращивания кристаллов давала материал с максимальным соотношением 1:4. Поэтому Тагучи с коллегами разработали новую двухстадийную технику роста, которая позволила им увеличить содержания бария до 50%. Сравнивая свойства кристаллов с разным содержанием бария, они обнаружили переход в состояние сегнетоэлектрика при содержании бария между 40 и 45%%.

Комплекс стронций-барий-манганит имеет структуру кристалла типа перовскита, которая характеризуется повторяющейся кубической структурой. Атомы магния располагаются в центре кристалла, а атомы кислорода располагаются посередине каждой из шести граней. В каждой вершине куба располагаются либо атомы стронция, либо атомы бария. Спин электронов в ионах марганца делает кристалл магнитным. Свойства сегнетоэлектрика возникают вследствие того, что ионы марганца слегка смещаются от центра куба.

Материалы, которые обладают магнитными и сегнетоэлектрическими свойствами называются мультиферроиками. Мультиферроики, идентифицированные до сих пор, имели либо сильную связь между электричеством и магнетизмом, но слабую поляризацию, либо сильную поляризацию, но слабую связь.

«Мы теперь открыли мультиферроик, который обладает и сильной связью и сильной поляризацией, - сказал Тагучи. – Эти свойства необходимы для использования подобных материалов в устройствах. Одним из примеров таких устройств является память с низким потреблением энергии».

Исследователи из США впервые сделали невидимым трехмерный объект, стоящий в свободном пространстве, продвинув широко обсуждаемую технологию на шаг вперед ближе к реальности.

Пока предыдущие изучения имели либо теоретический характер, либо ограничивались «прятаньем» двумерных объектов, данное показало, как обычные объекты могут сделаться невидимыми в естественном окружении во всех направлениях и со всех позиций наблюдения.

Исследователи использовали метод, известный как «плазмонная шапка», чтобы спрятать 18-сантиметровый цилиндр от микроволн.

Некоторые из последних достижений в области «невидимости» фокусировались на использовании метаматериалов – негомогенных искусственных материалах, которые имеют способность изгибать свет вокруг объектов. Однако этот новый подход использует другой тип искусственных материалов – плазмонные метаматериалы.

Когда свет падает на объект, он отражается от его поверхности. Мы видим объект, когда отраженный свет попадает нам в глаза.

Благодаря своим уникальным свойствам плазмонные метаматериалы обладают противоположным эффектом рассеяния по отношению к обычным материалам.

«Когда рассеянный свет от шапки и от объекта интерферирует, он уничтожается и в результате получается эффект невидимости под всеми углами наблюдения. Одно из преимуществ плазмонной техники невидимости является ее надежность и возможность применения в довольно широком диапазоне частот», - сказал проф. Андреа Алу (Andrea Alu).

В этом эксперименте цилиндрическая трубка была спрятана под оболочкой из плазмонного метаматериала. Система была протестирована посредством направления микроволн на спрятанный цилиндр и отображения результатов рассеяния. Шапка показала оптимальную функциональность, когда применялись микроволны с частотой 3,1 ГГц.

Ранее исследователи из Техасского университета показали, что форма объекта не имеет значения.

«В принципе, эта техника может быть использована и для видимого света. Однако размер объектов, которые можно эффективно спрятать, коррелирует с длиной волны, то есть размеры объектов должны быть порядка микрометров» - отметил проф. Алу.

Отображение распределения близкого поля вокруг и наверху тестируемого объекта

Ученые, работающие в Национальной ускорительной лаборатории (SLAC), создали рентгеновский лазер с самыми короткими и чистыми импульсами, реализовав предсказание, сделанное 45 лет назад, и открыв дверь новым возможностям науки.

Для создания первого в мире атомного рентгеновского лазера исследователи нацелили рентгеновское излучение от Linac Coherent Light Source (LCLS), лазера на свободных электронах, на капсулу с неоновым газом.

«Рентгеновские лучи позволяют нам проникнуть в мир атомов и молекул, - сказала Нина Рорингер (Nina Rohringer), возглавляющая исследование. – Мы считаем, что ученые будут использовать этот новый тип лазера для многочисленных исследований, таких как обнаружение деталей химических реакций или наблюдение в работе биологических молекул. Чем короче импульсы, тем большие скорости изменений мы можем наблюдать, чем чище излучение, тем более отчетливо мы можем видеть детали».

Чтобы создать атомный лазер, мощный рентгеновский импульс от LCLS, в миллиард раз ярче, чем получаемые ранее, выбил электроны с внутренних орбит многочисленных атомов неона в капсуле. При заполнении свободных состояний примерно один из 50 атомов отвечал излучением фотона в рентгеновском диапазоне с очень короткой длиной волны. Эти фотоны затем стимулировали соседние атомы неона излучать рентгеновские лучи, создавая эффект домино, который усилил излучение лазера в 200 млн раз.

Хотя и LCLS, и неоновая капсула оба являются лазерами, они генерируют свет различным образом и излучают свет с разными характеристиками. В LCLS высокоэнергетические электроны проходят через переменные магнитные поля, генерируя рентгеновское излучение, импульсы которого ярче и мощнее. Импульсы атомного лазера в восемь раз короче и их цвет (частотный состав) более чистый, что позволяет различать детали сверхбыстрых реакций.

В будущих экспериментах Нина Рорингер намерена попытаться создать рентгеновский лазер с более короткими импульсами и высокой энергией на базе кислорода, азота или газообразной серы.

Луч от LCLS приходит из нижнего левого угла (зеленый) и ударяет в атомы неона (в центре). В некоторых случаях внешний электрон занимает вакантное место на внутренней орбите и испускает коротковолновый высокоэнергетический фотон (желтый свет, исходящий из атома вверху справа)

Исследователи достигли успеха в объединении квантовых вычислений и квантовой криптографии и показали, что может быть достигнута идеальная защита облачных вычислений на основе принципов квантовой механики. Они провели экспериментальную демонстрацию квантовых вычислений, в которой входные данные, их обработка и выходные данные остались неизвестными квантовому компьютеру. Эксперимент был выполнен интернациональной командой ученых в венском Center for Quantum Science and Technology (VCQ).

Предполагается, что схема использования квантовых компьютеров будет аналогичной облачным вычислениям: несколько удаленных серверов, расположенных в специализированных центрах квантовых вычислений будут сохранять и обрабатывать данные. Очевидная проблема заключается в том, чтобы сделать глобализованные вычисления безопасными и сохранить конфиденциальность пользовательских данных.

Последнее исследование показало, что квантовые компьютеры могут решить эту проблему. «Квантовая физика решает одну из ключевых проблем в распределенных вычислениях. Она может сохранить конфиденциальность данных, когда пользователь взаимодействует с удаленными вычислительными центрами», - сказала Стефани Барц (Stefanie Barz), первый автор статьи.

Ученые венской исследовательской группы экспериментально продемонстрировали концепцию «слепых квантовых вычислений»: они впервые выполнили квантовое вычисление, в котором пользовательские данные оставались зашифрованными. Экспериментальная демонстрация использовала для шифрования фотоны.

Процесс происходил следующим образом. Пользователь приготавливает кубиты в состоянии, известном только ему, и посылает их квантовому компьютеру. Квантовый компьютер выполняет зацепление кубитов в соответствии со стандартной схемой. Фактическое вычисление основывается на измерении: обработка квантовой информации реализуется простыми измерениями кубитов. Пользователь разрабатывает инструкции по измерению отдельного состояния каждого кубита и посылает их квантовому серверу. В конечном счете результаты вычислений посылаются обратно пользователю, который может их интерпретировать. Даже если квантовый компьютер или перехватчик пытаются прочитать кубиты, они не получат полезную информацию без знания начального состояния.

Риунок показывает кластер зацепленных кубитов, допускающих квантовую обработку на удаленном сервере, при этом содержание и результат серверу не виден

Терагерцевый передатчик, разработанный в Техническом университете (TU) Дармштадта, показал наивысшую частоту, когда-либо достигнутую микроэлектронными устройствами. Новое устройство имеет очень небольшие размеры и оперирует при комнатной температуре, что открывает ему дорогу к новым приложениям, например, неразрушающему контролю материалов или в медицинской диагностике.

Одним из недостатков традиционных передатчиков и приемников терагерцевого излучения является их размеры и стоимость. Однако ситуация может вскоре измениться, поскольку команда физиков и инженеров из TU, возглавляемая д-ром Михаилом Фейгиновым (Michael Feiginov), разработала резонансный туннельный диод (RTD) для генерирования тарагерцевого излучения размером меньше 1 кв. мм, технология производства которого мало отличается от традиционного для полупроводников. Более того, их инновационный трансмиттер установил рекорд частоты для микроэлектронных устройств – 1,111 ТГц. Такая частота позволит достичь лучшего пространственного разрешения при испытании материалов и анализа.

Сердцем резонансного туннельного диода является двухбарьерная структура, внутри которой встраивается квантовая яма. Квантовая яма представляет собой очень тонкий слой арсенида индия-галлия, помещенный между парой барьерных слоев арсенида алюминия толщиной несколько нм. Эта двухбарьерная структура плюс квантовомеханический эффект обеспечивают, что электромагнитные волны, генерируемые внутри терагерцевого осциллятора, будут многократно усиливаться. Это означает, что осциллятор будет излучать непрерывные электромагнитные волны с терагерцевыми частотами.

Наверное, все помнят цирковой трюк, когда фокусник поднимает цилиндр, а под ним оказывается цыпленок, затем опускает его и снова поднимает – а цыпленка уже нет. Исследователи из Корнельского университета проделали нечто подобное. Они продемонстрировали «временную шапку-невидимку», правда, на очень малой шкале, при передаче данных с помощью пучка света. Здесь трюк заключался в том, чтобы создать щель в пучке света в то время, когда происходит событие, а затем сшить пучок вместе.

Исследователи создали, по их определению, временные линзы, которые могут манипулировать сигналами и фокусировать их во времени, аналогично тому, как стеклянные линзы фокусируют свет в пространстве. Они использовали технику, называемую четырехволновое смешивание, в которой два пучка света, «сигнала» и «накачки» посылаются вместе через оптоволокно. В результате взаимодействия двух пучков изменяется длина волны сигнала. Что создать временную щель, исследователи сначала скачком увеличили длину волны сигнала, а затем скачком уменьшили ее.

Затем пучок пропускался через другой очень длинный, вытянутый оптический кабель. Свет, проходящий через прозрачный материал, немного замедлялся, при этом уменьшение скорости зависело от длины волны. Так, свет с меньшей длиной волны двигался быстрее, создавая щель. В момент наличия щели экспериментаторы создавали короткую вспышку света с более длинной волной, которая приводила бы к кратковременной импульсной помехе в выходящем пучке.

Затем расщепленный пучок пропускался через оптоволокно с различной композицией, сконструированным так, чтобы замедлять свет с меньшей длиной волны сильнее, чем с большей. Сигнал с большей длиной волны достигал сигнала с меньшей, ликвидируя щель. Наконец, другой четырехволновой смеситель приводил обе части обратно к исходной длине волны, и пучок появлялся без следа того, что где-то была щель, и признаков постороннего сигнала.

Временная длина щели составляла 15 пс и, по заверению ученых, может быть увеличена до 10 нс. Такая технология могла бы найти применение при передаче данных по оптоволокну и их обработке. Например, она может позволить вставить аварийный сигнал без прерывания основного потока данных.

«Этот метод требует оптического ответа от материала, который не существует. Теперь мы сделали это для одномерного случая. Расширение его на двумерный, а в конечном счете, и на целую сцену, вполне реально», - сказал проф. Александр Гаета (Alexander Gaeta).

 Лазерный луч проходит через «расщепляющую время линзу» -специально сконструированный волновод, который скачком увеличивает длину волны света, а затем скачком ее понижает. Сигнал затем проходит через фильтр, который замедляет длинные волны, создавая щель, в которую можно «спрятать» событие. Второй фильтр работает обратно первому, позволяя «сшить» пучки без следа их расщепления