Компьютерные программы инкорпорируют все больше и больше функций безопасности для защиты пользователей, но их включение может также замедлить скорость выполнения программ до 10 раз и более. Исследователи из Университета Северной Каролины (NC) разработали программный инструмент, который помогает этим программам работать более эффективно без ущерба для функций безопасности.

«Функции безопасности, или метафункции, могут замедлить программу так сильно, что разработчики часто их не включают, - сказал д-р Джеймс Так (James Tuck), доцент кафедры вычислительной техники. – Отсутствие этих функций может значить, что вы не идентифицируете проблему так быстро, как могли бы, что может оказаться важным, в частности, если ваш компьютер подвергается риску быть атакованным».

Исторически эти функции безопасности инкорпорировались непосредственно в код программы и выполнялись тем же центральным процессором, что и основная программа. Исследователи из NC разработали инструмент, который использует преимущества многоядерных процессоров для выполнения функций безопасности на отдельном ядре. Это позволяет основной программе работать с быстродействием, близким к определяемому ее кодом. Так, на протестированных немодифицированных программах быстродействие снижалось приблизительно на 580%. С использованием разработанного инструмента оно снижалось приблизительно на 25%.

Такой многоядерный подход пытались применить и раньше, но предыдущие попытки были неэффективными и включали репликацию большого объема кода, что требовало много времени и энергии. Новый инструмент значительно упрощает обработку функций защиты, которая выполняется на других ядрах.
Д-р Так обращает внимание на то, что инструмент функционирует автоматически и не включает ручного перепрограммирования. Он реализуется как подключаемый модуль программных инструментов коллекции компиляторов GNU.

Успеха в этом направлении добились исследователи из Эксетерского университета (Англия). Ими было впервые продемонстрировано одновременные обработка данных и хранение на базе материалов с изменяемой фазой. Новая техника могла бы революционизировать вычисления, делая компьютеры быстрее и энергоэффективнее, а также приближая их к биологическим системам. 

В современных компьютерах обработка данных и операции с памятью выполняются раздельно, в результате чего возникают узкие места при попытках увеличить быстродействие или снизить энергопотребление, причиной которых является необходимость непрерывно перемещать данные. Такого не наблюдается в биологических системах, например, в человеческом мозге, где нет реальных различий между запоминанием и обработкой. Чтобы выполнить эти две функции одновременно, команда из Эксетерского университета использовала фазоизменяемые материалы.

Их работа убедительно показала, что фазоизменяемые материалы могут сохранять и обрабатывать данные одновременно. Также в первый раз было экспериментально показано, что они могут выполнять вычислительные операции общего назначения, такие как сложение, вычитание и, естественно, умножение и деление. Более удивительным оказалось то, что эти материалы могут быть использованы для конструирования искусственных нейронов и синапсов. Это значит, что искусственные системы, полностью сделанные из фазоизменяемых материалов, могли бы потенциально изучать и обрабатывать информацию подобно мозгу человека.

Ведущий автор проф. Дэвид Райт (David Wright) сказал: «Наше открытие имеет основные применения в области разработки полностью новых форм вычислений, включая компьютеры, похожие на мозг».

Исследование ученых было сфокусировано на производительности единичной ячейки с изменяемой фазой. Следующим этапом исследований будет построение системы взаимосвязанных ячеек, которые смогут научиться решать простые задачи, такие как идентификация определенных объектов и изображений.

Важное достижение было сделано в прямых измерениях магнитного момента протона и антипротона. Ученые из Университета Йоханнеса Гутенберга в Майнце (JGU) и Института Гельмгольца совместно со своими коллегами из Института ядерной физики Макса Планка в Хайделберге и Центра Гельмгольца по исследованиям тяжелых ионов в Дармштадте впервые наблюдали квантовый скачок спина единичного фотона, захваченного в ловушку. Результат является важным шагом в попытках прямого измерения магнитных свойств протона с высокой точностью. Принцип измерения базируется на наблюдении единичного протона, находящегося в электромагнитной ловушке. Метод дает также возможность наблюдать антипротон, что в перспективе может помочь объяснить дисбаланс материи и антиматерии во вселенной.

Определение спина протона сталкивается с некоторыми трудностями. Если магнитные моменты электрона и позитрона уже измерены и сравнены в 1980 г., это еще не достигнуто в случае протона.

«Мы уже давно знаем о магнитном моменте протона, но до сих пор прямые измерения для единичного протона не выполнялись, только для ансамбля», - объяснил ситуацию проф. Йохен Вальц (Jochen Walz) из Института Гельмголца.

Реальная проблема заключалась в том, что магнитный момент протона в 660 раз меньше, чем у электрона. Поэтому для подготовки эксперимента с необходимой точностью команде ученых потребовалось пять лет.

Это достижение открывает путь для прямого точного измерения магнитных моментов протона и антипротона. Сегодня магнитный момент антипротона измерен с точностью до трех знаков после запятой. Метод, используемый в Майнце, предполагает точность в миллион раз большую.

Ловушка для индивидуального фотона и определения скачка спина

ЦЕРН опубликовал 23 сентября пресс-релиз, в котором объявлено об эксперименте OPERA, обнаружившем движение нейтрино со скоростью, превышающей скорость света в вакууме. В нем пучок нейтрино из источника в ЦЕРН преодолевал расстояние в 730 км до детектора Gran Sasso Laboratory в Италии со скоростью на 20•10^-6 выше скорости света.

Результат OPERA базируется на наблюдении более 15 тыс. событий. Принимая во внимание далеко идущие следствия такого результата, необходимо провести независимые эксперименты для того чтобы его принять или опровергнуть.

Нужно отметить, что в прошлом было проведено множество экспериментов, чтобы найти отклонения от постулата Эйнштейна, но до сих пор этого сделать не удавалось. Это делает интерпретацию измерений OPERA в терминах модификации специальной теории относительности маловероятной.

«Результат для нас явился сюрпризом, - сказал спикер OPERA Антонио Эредитато (Antonio Ereditato) из Университета г. Берн. – После многих месяцев изучения и перекрестных проверок мы не обнаружили каких-либо инструментальных эффектов, которые могли бы объяснить результаты эксперимента».

Для того чтобы выполнить это изучение, команда OPERA совместно с экспертами по метрологии из ЦЕРН и других институтов провела серию высокоточных измерений расстояния между источником и детектором и времени пролета нейтрино. Так, ошибка в определении расстояния составила 20 см, а времени – 10 нс. При этом использовались сложные инструменты, включающие усовершенствованную GPS-систему и атомные часы. Время отклика всех элементов пути CNGS (CERN Neutrino to Gran Sasso) и детекторов также было определено с высокой точностью.

«Потенциальное влияние результатов эксперимента на науку слишком велико, чтобы делать немедленные выводы или пытаться выполнить какую-либо физическую интерпретацию. Моей первой реакцией была мысль, что нейтрино продолжает удивлять нас своей загадочностью», - сказал Антонио Эредитато.

Исследователи из Университета Северного Иллинойса сообщили, что они открыли простой метод производства большого количества графена. Он позволяет превращать двуокись углерода прямо в состоящий из нескольких слоев графен (общей толщиной менее 10 атомов), посредством отжига чистого металлического магния в сухом льде.

«Научно проверено, что отжиг металлического магния в двуокиси углерода дает в результате углерод, но формирование из этого углерода несколько слоев графена как основного продукта не было ни обнаружено, ни теоретически доказано вплоть до нашего сообщения, - сказал Нарайян Хосмане (Narayan Hosmane), профессор химии и биохимии, руководящий исследованиями. – Процесс синтеза потенциально может быть использован для производства такого графена в больших количествах. Вплоть до недавнего времени графен синтезировался различными методами, использовавшими опасные химикалии и трудоемкую технику. Новый метод простой, низкозатратный и «зеленый». Это сюрприз для нас всех».

Как заметил Амартья Чакрабарти (Amartya Chakrabarti), первый автор статьи, это очень простая техника, которая использовалась учеными и ранее, но никто действительно глубоко не исследовал структуру углерода, который получался.

Д-р Амартья Чакрабарти держит образец графена, полученный с помощью сухого льда

Распределение квантовых ключей (QKD) является современным инструментом для безопасной компьютерной связи, обеспечивающий конфиденциальность сообщений посредством разделяемого секретного ключа. QKD, в принципе, является безопасным, но исследователи долгое время подозревали, что бреши могут возникнуть при использовании технологии на практике.

И вот впервые команда исследователей из Центра квантовых технологий (CQT) Сингапурского национального университета, Норвежского университета науки и технологии (NTNU) и University Graduate Center (UNIK) в Норвегии создали и продемонстрировали «идеальный перехватчик» для QKD, который использует такую брешь в типичном процессе распределения ключей. Это устройство позволяет исследователям получить разделяемый секретный ключ без оповещения об опасности обеих сторон. Результаты показали важность обнаружения несовершенств в реализации QKD в качестве первого шага для их устранения.

Криптография традиционно опирается на математический аппарат, и поэтому всегда существует опасность взлома шифра с помощью все более увеличивающих быстродействие компьютеров. Квантовая криптография, однако, опирается на законы физики, и поэтому ее взлом должен был быть несоизмеримо более трудным. Хотя было много дискуссий о технологических уязвимостях в квантовой криптографии, вплоть до настоящего времени не было реализовано устройство для перехвата QKD.

«QKD стало реальным конкурентом классическому распределению ключей. Эта атака обнаружила, на что мы должны обратить внимание для обеспечения безопасности этой технологии», - сказал Кристиан Куртзифер (Christian Kurtsiefer), профессор из CQT.

На экспериментальной установке исследователи из трех институтов продемонстрировали свой перехватчик в реальных условиях на оптоволоконном канале связи между передатчиком (Алиса) и приемником (Боб). Алиса передавала Бобу по одному фотону за раз, при этом создавались два секретных ключа с помощью измерения свойств фотонов. В течение ряда QKD-сессий на протяжении нескольких часов «идеальный перехватчик» получал те же секретные ключи, что и Боб, в то время как обычные параметры, которые отслеживались при обмене QKD, не изменялись. Это означало, что перехватчик не был обнаружен.

Исследователям удалось «перехитрить» квантовые принципы, которые теоретически обеспечивают безопасность QKD, используя классические фотонные детекторы со стороны Боба. Более того, технологические недостатки безопасности QKD были вскрыты с помощью готовых компонентов.

Открытая публикация о том, как был создан «идеальный перехватчик», уже позволила закрыть обнаруженную брешь. «Я уверен, что имеются и другие проблемы, которые могут показать, что теоретический анализ безопасности может не соответствовать ситуации в реальных условиях, - сказал Илья Герхардт (Ilja Gerhardt), гость из Университета Британской Колумбии (Ванкувер, Канада). – Но это является обычной игрой в области безопасности: одни создают системы безопасности, а другие взламывают их. В итоге, это улучшает различные подходы».

Хакерский чемоданчик: мобильный набор инструментов для прослушки квантового криптоканала, содержащий оптическое и электронное оборудование

Речь идет об энионах (anyon), гипотетических квазичастицах, предложенных группой физиков в 1977 г. Они были введены, поскольку выполненные вычисления показали, что традиционное деление частиц на фермионы и бозоны не применимо для теоретических частиц, существующих в двумерном пространстве. Квантовая статистика энионов является интерполяцией между квантовыми статистиками бозонов и фермионов.

Физики из Университета Людвига-Максимилиана (LMU) в Мюнхене разработали новый эксперимент, который должен показать возможность создания и детектирования энионов.

«Они были бы своего рода недостающей связью между двумя сортами фундаментальных частиц, - сказал д-р Тассило Кайльманн (Tassilo Keilmann) из LMU. – В соответствии с законами квантовой физики, энионы должны существовать, но до сих пор их нельзя было обнаружить экспериментально».

В предложенном эксперименте обычные атомы захватываются оптической решеткой. Проведенные вычисления показали, что можно манипулировать взаимодействиями между атомами в решетке таким способом, чтобы создать и обнаружить энионы. В противоположность поведению фермионов и бозонов экзотическая статистика энионов должна была бы непрерывно изменяться между конечными точками, определяемыми двумя традиционными квантовыми статистиками.

«Эти новые квантовые частицы должны быть способны совершать скачок между узлами оптической решетки, - говорит д-р Кайльманн. – Более важно то, что они и их квантовая статистика могла бы быть непрерывно регулируемая в течение эксперимента». В этом случае может быть даже реальным превращение бозонов в энионы, а затем превращение их в фермионы. Такой переход был бы эквивалентен новому «статистически наведенному квантовофазовому переходу» и позволил бы использовать энионы в квантовых компьютерах. «Мы показали первый практический путь для определения энионов, - сказал д-р Кайльманн. – Экспериментаторы будут в состоянии реализовать установку, которая уже находится в процессе разработки».

Студент из колледжа Конкордия разработал многообещающую компьютерную программу, которая может служить инструментом для розыска пропавших детей и в интересах национальной безопасности. Коа Луу (Khoa Luu) создал более эффективную программу старения фотографий человеческих лиц, которая может помочь идентифицировать потерявшихся детей и сбежавших преступников.

«Исследования в области компьютерных технологий оценки возраста и старения лиц являются относительно новыми, - сказал Луу. – Мы были первыми, кто предложил новую технику, комбинирующую два предыдущих подхода, известные как активная модель наружности (ААМ) и поддержка векторной регрессией (SVR). Такая комбинация значительно улучшила точность возрастной оценки. В тестах наш метод достиг многообещающих результатов».

Сегодня старение фотографий выполняется судебными художниками. Хотя ими учитывается анатомия и геометрия лиц, это все же ближе к искусству, а не к науке. В результате предсказываемые изображения могут существенно отличаться от реальных.

«Наш подход к старению лиц с помощью программы опирается на комбинацию существующих технологий, - говорит Луу. Лицо человека изменяется по-разному в разном возрасте. В течение стадии роста и развития физическая структура лица изменяется, оно становится длиннее и шире. Когда человек становится взрослым, основные изменения лица происходят за счет мягких тканей. Образуются морщины и складки, мускулы теряют упругость».

Вся эта информация должна быть включена в алгоритм программы. Так как существуют два периода с фундаментально разными механизмами старения, Луу должен был разработать две разных «функции старения» для этого проекта.

Для разработки своей техники старения лиц Луу сначала использовал комбинацию методов AAM и SVR для интерпретации лиц и обучения программы правилам старения. Затем он ввел информацию из базы данных характеристик лиц родственников и родителей, взятых за расширенный период. Используя эти данные, программа предсказывала внешний вид человека в будущем. 

Ученые из Университета Лейстера (University of Leicester), Англия, исследовали возможную судьбу Солнечной системы на примере белых карликов в нашей Галактике.

Белый карлик является последней стадией в жизненном цикле звезд, подобных Солнцу, после его сжатия до диаметра меньшего земного. В этом состоянии плотность звезды такова, что чайная ложка вещества весила бы около 5 тонн.

Натан Дикинсон (Nathan Dickinson), аспирант кафедры физики и астрономии, исследует химический состав белых карликов в рамках своей диссертации. Его интересует присутствие тяжелых элементов в самом карлике и вокруг него.

Данные космического телескопа Hubble предоставляют спектр для каждой звезды, по которому можно судить о ее химическом составе. Более старые и холодные карлики с температурой менее 25 тыс. град. Цельсия иногда содержат элементы, такие как кислород, азот, кремний и железо, которые оседают от остатков планет.

На более молодых и горячих белых карликах с более высокой температурой всегда имеются тяжелые элементы. Однако в некоторых случаях этих элементов оказывается больше, чем ожидается. Это приводит к вопросу, что является их источником, планеты или они образовались в окружающих звезду облаках.

«Понимание того, являются ли источниками таких материалов остатки планет, представляет значительную важность, - сказал Дикинсон. – Это может сформировать идею, как эти древние планетарные системы развивались по мере старения звезды, из которой мы можем получить картину смерти нашей Солнечной системы. Будучи конечным состоянием жизненного цикла большинства звезд, белые карлики являются одними из самых старых объектов в Галактике, поэтому они могут сказать нам, какими были самые старые солнечные системы. Учитывая, что в конце своей жизни Солнце превратится в белого карлика, исследование может сказать нам, что в конце концов случится с нашей Солнечной системой».

Цзичжоу Сон (Jizhou Song), профессор из Университета Майами, помог разработать светодиод, который позволяет создать массив в 100 раз меньший, чем из такого же числа традиционных светодиодов. Новое устройство является гибким, меньше нагревается и имеет увеличенный срок жизни по сравнению с существующими. Устройство может также быть альтернативой лампам накаливания.

В своем исследовании ученые сфокусировались на улучшении определенных свойств светодиодов, таких как размер, гибкость и нагревание. Роль проф. Сона в проекте заключалась в анализе температурных режимов и построении аналитической модели, которая понизила бы температуру устройства.

«Новая модель использует кремниевую подложку, оригинальную технику травления, уникальную компоновку и инновационный метод управления температурным режимом, - сказал проф. Сон. – Комбинация этих производственных технологий позволяет новой конструкции иметь меньший и размер, и температуру нагрева, чем современные светодиоды, при той же потребляемой мощности».

В будущем исследователи хотят сделать устройство растяжимым, что позволит использовать его на любых поверхностях, таких как деформируемые дисплеи и биометрические устройства, которые адаптируются к поверхности тела человека.