Ученые из Национальной лаборатории Ферми (FNAL) анонсировали 24 июня результаты исследований редкого явления – превращения мюонного нейтрино в электронное. С некоторыми ограничениями эти результаты находятся в соответствии с данными японского эксперимента Tokai-to-Kamioka (T2K), который анонсировал возможность такого типа превращения.

Результаты этих двух экспериментов могут сказаться на нашем понимании роли, которую нейтрино может играть в эволюции вселенной. Если мюонные нейтрино преобразуются в электронные нейтрино, то это могло бы быть причиной, почему при Большом взрыве было произведено больше материи, чем антиматерии.

В эксперименте на установке Main Injector Neutrino Oscillation Search (MINOS) (Главный инжектор поиска осцилляций нейтрино) были зарегистрированы 62 частицы, похожие на электронные нейтрино. Если бы мюонные нейтрино не преобразовывались в электронные, тогда должны были бы быть зарегистрированы только 49 событий. В то же время, согласно эксперименту T2K, при наличии этого явления таких событий должно было бы быть 71. Два эксперимента используют разные методы и технику анализа при рассмотрении этого редкого превращения.

Чтобы обнаружить превращение мюонных нейтрино в другие типы (электронное и тау-нейтрино), в эксперименте MINOS пучок мюонных нейтрино посылается на расстояние 735 км под землей от Главного ускорителя Лаборатории к нейтринному детектору весом 5 тыс. тонн, расположенному на 600-метровой глубине в Суданской подземной лаборатории на севере Миннесоты. В эксперименте используются два почти одинаковых детектора: детектор в Лаборатории - для проверки чистоты пучка мюонного нейтрино, и детектор в Судане (так называется поселок) - для регистрации мюонных и электронных нейтрино.

Более десяти лет ученые имели основания полагать, что три известных типа нейтрино могут превращаться друг в друга. Эксперименты обнаружили, что мюонные нейтрино исчезают. Предполагалось, что бóльшая часть этих нейтрино превращаются в тау-нейтрино, которые до сих пор было очень трудно обнаружить, а меньшая – в электронные нейтрино.

Наблюдение частиц, похожих на электронные нейтрино, в суданском детекторе позволяют ученым оценить значение, называемое sin² 2θ₁₃ (синус квадрат два тэта тринадцать). Если мюонные нейтрино не превращаются в электронные, значение этой величины равно нулю. Согласно эксперименту MINOS значение лежит в диапазоне 0—0,12, тогда как T2K дает диапазон 0,03—0,28.

Эксперимент MINOS будет продолжаться до февраля 2012 г., тогда как T2K был прерван в марте из-за сильного землетрясения, разрушившего источник мюонных нейтрино.

Схема распространения нейтринного пучка

Дальний детектор MINOS в Судане, Миннесота

Ближний детектор MINOS в Лаборатории Ферми

«A Facebook without Facebook.com», - так охарактеризовала вице-президент и директор научной лаборатории вычислительных систем в PARC Тереза Лант (Teresa Lunt) Интернет, который может появиться в ближайшие несколько лет, - управляемый контентом и данными, полностью независимый от лежащей в основе структуры или сетевых точек.

Такова идея сетей, управляемых контентом (Content-Centric Networking, CCN), в которых данные равномерно распределены по сети, с небольшим количеством «облаков» или других решений, необходимых, чтобы собрать все вместе. Ван Якобсон (Van Jacobson), признанный автор концепции CCN, сформулировал ее в 2006 г. на конференции Google.

«Когда вы занимаетесь распространением, вас интересуют данные, а не тот, кто их вам предоставляет. И создатели приложений, и пользователи должны делать это с помощью ужасных операций в своих головах и в сети, … чтобы решить проблему, которую сеть должна была бы решить для них, но не знает их намерений и не может узнать, что они хотят, - сказал он. – Данные не должны где-либо жить, данные – это имя. Архитектура PARC CCN рассматривает контент в качестве первичного и отсоединяет локализацию от идентификации, безопасности и доступа, от концепции хост/машина на самом низком уровне. Мы верим, что фокус на что, а не на где, решает современные проблемы связи лучше, чем традиционная модель пакетных сетей, сохраняя при этом надежность, простоту и масштабируемость сетей TCP/IP».

Тереза Лант сказала, что коммерческие приложения, основанные на CCN, могут появиться через 18 месяцев. Они позволят формировать социальные сети «на лету» самими пользователями, которые будут сами отвечать за их безопасность, без коммерческих сервисов.

Карлос Казелес Хименес (Carlos Caselles Jiménez), исследователь из Мадридского политехнического университета, разработал анонимную систему с автоматическим управлением маршрутами.

Система создает среду для передачи данных, в которой пользователи неидентифицируемы. Эта защита пользователей наряду с улучшением безопасности обмена данными делает более эффективными их получение и отправку. Для этого было разработано многоточечное ПО на базе клиент-серверных приложений.

Цель проекта заключалась в разработке безопасной и эффективной системы связи, которая легко разворачивается на любой сети организации, и возможности управлять всеми установленными соединениями, обеспечивающий эффективный сервис с непрерывной поддержкой безопасности.

Приложение было создано на языке Java в многоплатформенной открытой среде разработки Eclipse для семейства ОС Microsoft Windows, хотя может быть сделано совместимым с Unix-системами. Оно включает OpenSSL-подобный механизм безопасности. С помощью набора инструментов SSL могут быть реализованы протоколы безопасности SSL/TLS, такие как протокол HTTPS, который обеспечивает веб-браузерам безопасный доступ к сайтам, требующих передачу персональных данных.

Этим способом достигается конфиденциальность передаваемых данных, участвующие пользователи идентифицируются во избежание обмана, и гарантируется защита от атак третьей стороны.

В зависимости от ситуации устанавливаются различные транспортные протоколы, использующие сокеты UDP или TCP. Чтобы повысить безопасность потока данных, система имеет встроенный сетевой механизм управления, использующий алгоритм, который вычисляет оптимальные в том или ином смысле маршруты.

Целью проекта было обеспечить установление канала связи анонимной системой, включающем механизмы безопасности с аутентификацией и техникой шифрования для защиты всех данных, которые передаются по сети от разных организаций.

Чтобы увеличить безопасность передачи данных, сетевой доступ TCP/SSL будет ограничиваться машинами, которые имеют действительные цифровые сертификаты. Дополнительно, шифрование UDP-дейтаграмм, использующее симметричный алгоритм BlowFish, позволяет организациям, участвующим в обмене данными, зашифровывать и дешифровывать разделяемый сессионный ключ, делая систему более безопасной.

Другой сильной стороной системы является производительность управления трафиком. Успех здесь достигнут благодаря алгоритму маршрутизации, который вычисляет наиболее эффективные маршруты в зависимости от сложившихся условий. Алгоритм распределяет и обновляет маршруты со временем, позволяя значительно расширять сеть и не беспокоиться о том, что увеличение количества подключений понизит производительность системы.

Технологии помощи водителям, такие как адаптивный автомат постоянной скорости и автоматическое торможение, обещают в один прекрасный день облегчить движение на переполненных маршрутах и предотвращать инциденты. Испытания таких автоматизированных систем являются весьма трудной задачей, но ученые из Университета Карнеги-Меллона продемонстрировали недавно, что проверка безопасности таких сложных систем реальна.

Чтобы сделать это, исследователи сначала разработали модель распределенной системы управления автомобилем, в которой компьютеры и датчики в каждой машине были подключены к управлению газом, тормозом и сменой полосы движения, а также въезду и выезду с магистрали. Затем они использовали математические методы для формализованной проверки того, что система сможет предохранить машины от столкновения друг с другом.

«Система, которую мы создали, является одной из наиболее сложных кибер-физических систем, которые когда-либо проверялись формальными методами, - сказал ассистент профессора Андре Платцер (Andre Platzer) на презентации системы на Международном симпозиуме формальных методов, который сейчас проходит в Университете г. Лимерик, Ирландия. - Дорожные происшествия стоят обществу миллиарды долларов и многих жизней, так что автоматические системы, которые повысят безопасность на дорогах, востребованы».

Формальные методы тестирования являются обычными при проверке компьютерных схем и ПО. Их использование для обнаружения ошибок сопряжено с определенными проблемами. Подобно другим кибер-физическим системам, они должны принимать во внимание как законы физики, так и особенности аппаратного и программного обеспечения. Но системы управления транспортными средствами добавляют еще один уровень сложности, связанный с их распределенностью, иными словами, отсутствует единственный управляющий компьютер – каждая машина принимает решение в зависимости от остальных машин,  участвующих в дорожном движении.

Платцер с сотрудниками показали, что они смогли протестировать безопасность их адаптивной системы круиз-контроля посредством разбиения задачи на иерархическую систему модулей. Самый нижний модуль описывает два автомобиля в одной полосе. Затем на его основе они смогли показать, что система является безопасной для одной полосы с произвольным количеством автомобилей и, в конечном счете, для магистрали с произвольным количеством полос. Подобным же способом, они показали, что машины могут безопасно покидать и переходить на одну полосу движения, а затем распространили метод на многополосную магистраль.

Платцер предостерег, что их доказательство имеет главное ограничение – оно применимо только к прямой магистрали. При решении задачи с поворотами основной фокус будет направлен на учет погрешности датчиков и времени синхронизации. Однако предложенный метод может быть обобщен на другие системы или на изменения динамики автомобилей.

«Любая другая реализация распределенной системы управления автомобилями отличная от той, что мы предложили, будет более сложной, - сказал Платцер. – Но теперь, по крайней мере, мы знаем, что эти будущие системы не являются столь сложными, чтобы мы не могли протестировать их безопасность».

Водители в машинах на верхней и нижней полосах могут полагать, что их перемещение на среднюю полосу перед зеленым автомобилем безопасно, однако в действительности это вызовет их столкновение

Электроинженеры из Университета Дьюка нашли, что уникальные искусственные материалы могли бы теоретически улучшить беспроводную передачу энергии как к небольшим устройствам, таким как ноутбуки или мобильные телефоны, так и к большим – автомобилям или подъемникам.

Теоретически метаматериалы могут улучшить эффективность зарядки устройств без проводов. При беспроводной передаче энергии большая ее часть, а иногда и вся, рассеивается, если только устройства не расположены очень близко друг к другу. Однако предложенные исследователями метаматериалы, которые могут быть размещены между источником и получателем энергии, позволяют передавать энергию через открытое пространство с минимальными потерями.

«Мы в настоящее время способны передавать небольшие порции энергии на короткие расстояния. Примером могут служить устройства RFID, – сказал Ярослав Уржумов, ассистент профессора по электронной и вычислительной технике. – Однако большое количество энергии, как в лазерах или микроволновых печах, сжигало бы все на своем пути. Согласно нашим расчетам возможно использование новых метаматериалов для увеличения количества энергии, передаваемой без негативных эффектов».

Исследования Уржумова являются боковой ветвью исследования в области суперлинз, проводимого в лаборатории проф. Дэвида Смита.  Суперлинзы, которые сделаны из метаматериалов, изменяют траектории лучей внутри материала линзы, заключенного между ее двумя внешними поверхностями, что позволяет более точно ими управлять.

Метаматериал, используемый для беспроводной передачи энергии, может быть изготовлен из сотен и тысяч индивидуальных тонких проводящих петель, собранных в массив. Каждая часть сделана из подложки медь-на-фибергласе, используемой для производства печатных плат. Эти части могут затем собираться в огромное множество конфигураций, которые подгоняются к специфическому устройству.

Ученым из Технологического института Карлсруэ (KIT) удалось закодировать данные и передать их со скоростью 26 Тб/с с помощью одного лазерного луча на расстояние 50 км и успешно декодировать информацию. Это максимальный на сегодня объем данных, переданных одним лазерным лучом.

В этом эксперименте ученые из KIT, возглавляемые проф. Юргом Лойтголдом (Jürg Leuthold), побили собственный рекорд по высокоскоростной передаче данных, когда преодолели магический предел 10 Тб/с в 2010 г. Этого успеха группа достигла благодаря новому алгоритму кодирования. Метод оптоэлектронного декодирования является на первом этапе чисто оптическим и выполняется на максимальной скорости передачи данных, а затем скорость понижается и данные обрабатываются электрически. Для рекордной скорости кодирования данных команда использовала мультиплексирование с разделением по ортогональным частотам (OFDM) .

«Для того чтобы передать данные со скоростью 26 Тб/с, необходимо было увеличить скорость обработки не в тысячу раз, а в почти в миллион, - сказал проф. Лойтголд. – Решающей идеей была оптическая реализация математического метода». Оптические вычисления оказались не только очень быстрыми, но и энергоэффективными.

«Наш результат показывает, что физические пределы еще не превышены даже при крайне высоких скоростях передачи, - сказал проф. Лойтголд. – Несколько лет назад скорости 26 Тб/с были утопическими даже при использовании нескольких лазерных лучей».

Проф. Юрг Лойтголд управляет уровнями сигнала

Проблемы безопасности являются одним из главных препятствий для применения новой технологии энергонезависимой основной памяти (NVMM) в компьютерах нового поколения, которая может ускорить старт компьютера и работу памяти. Однако теперь исследователи из Университета Северной Каролины (NCSU) разработали новую аппаратную поддержку шифрования для использования с NVMM, защищающую персональные и другие данные.

Технологии NVMM, такие как фазовая память, являются весьма перспективными для замены традиционной динамической памяти с произвольным доступом (DRAM) в качестве основной памяти в компьютерах. Такая память позволит компьютерам практически мгновенно стартовать. К тому же она занимает гораздо меньше места. Однако при ее использовании возникают проблемы безопасности.

Традиционная DRAM не хранит данные в компьютере после его выключения. Но NVMM оставляет все данные пользователя в основной памяти годами даже после его выключения. Эта особенность может предоставить преступникам доступ к конфиденциальным данным, если ноутбук или смартфон был украден. А поскольку данные сохраняются в основной памяти, они не могут быть зашифрованы с помощью ПО. Исследователи из NCSU разработали аппаратное решение этой проблемы, названное i-NVMM.

«Мы можем использовать аппаратуру для шифрования всего, - объяснил   д-р Ян Солихин (Yan Solihin). – Но тогда система будет работать очень медленно, поскольку она должна будет постоянно заниматься шифрованием и дешифрованием данных. Взамен этого мы разработали алгоритм для определения данных, которые с большой вероятностью не нуждаются в обработке процессором. Это позволяет нам держать 78% данных в основной памяти в зашифрованном виде в течение типичных операций, что замедляет производительность системы только на 3,7%».

Технология i-NVMM имеет также еще два преимущества. Первое, ее алгоритм также определяет холостой режим. Это значит, что любые данные, не находящиеся в текущей обработке, такие как номер кредитной карты, автоматически шифруются. Второе, хотя 78% данных в основной памяти шифруются при работе компьютера, остальные 22% шифруются, когда компьютер выключается.

i-NVMM опирается на внутреннюю машину шифрования, которая инкорпорируется в модуль компьютерной памяти и не требует доработок процессора. Это значит, что она может быть использована с разными процессорами и в разных системах.

Эффективность является проблемой для современных солнечных панелей: они собирают около 20% падающего света. Теперь инженер из Университета штата Миссури (UM) разработал гибкий солнечный лист, который захватывает более 90% падающего света, и он планирует сделать прототип, доступный потребителям, в следующие пять лет.

Патрик Пинэро (Patrick Pinhero), адъюнкт-профессор департамента химической инженерии, пояснил, что получение электричества с использованием традиционных гальванических методов сбора солнечной энергии неэффективно, так как при этом теряется много солнечного излучения в большей части спектра. Устройство, разработанное его командой, – тонкий лист, на котором сформирован массив небольших антенн, называемых нантеннами, - может собирать тепло, выделяемое при индустриальных процессах, и превращать его в электричество. Их амбициозные планы – расширить концепцию до прямых солнечных нантенных устройств, способных собирать солнечное излучение в близкой инфракрасной и видимой области солнечного спектра.

«Наша цель – собрать и утилизировать столько солнечной энергии, сколько позволяет теоретический предел, и вывести устройство на рынок по доступной цене, - говорит проф. Пинэро. – В случае успеха этот продукт обеспечит на порядок большую эффективность по сравнению с сегодняшними устройствами».

Исследователи из НР и Университета Калифорнии (Санта-Барбара) проанализировали с беспрецедентной детализацией физические и химические свойства электронного устройства, которое, как надеются инженеры, преобразует вычисления.

Мемристоры (memory resistors) обрели новое понимание в качестве элемента схем для разработки электроники и вдохновили экспертов искать пути имитации поведения нашей мозговой активности внутри компьютера.

Предполагается, что мемристоры со способностью «запоминать» полный электрический заряд, который через них проходит, принесут наибольшую пользу, когда они смогут действовать подобно синапсам внутри электронной цепи, имитируя сложную сеть нейронов, имеющуюся в мозге человека, позволяющую ему воспринимать, думать и запоминать.

Имитация биологических синапсов – соединений между двумя нейронами, по которым передается информация в нашем мозге, - может привести к широкому спектру новых приложений, включая полуавтономных роботов, если удастся воспроизвести сложные нейронные сети в искусственной системе.

Для того чтобы использовать огромный потенциал мемристоров, исследователи вначале нуждаются в понимании физических процессов, происходящих внутри них, в очень малых масштабах.

Мемристоры имеют очень простую структуру – часто это только тонкая пленка, сделанная из двуокиси титана, помещенная между двумя металлическими электродами, – и они интенсивно изучались в терминах их электрических свойств.

Впервые было проведено неразрушающее изучение физических свойств мемристоров, позволяющее более детально взглянуть на химические и структурные изменения, происходящие при их функционировании.

Исследователи изучили канал, где происходит переключение сопротивления мемристоров, комбинируя несколько техник.

Они использовали высоко фокусированные рентгеновские лучи, чтобы локализовать и отобразить канал шириной 100 нм, в котором переключается сопротивление. Затем полученные данные были подставлены в математическую модель, описывающую нагревание мемристора.

«Одна из самых больших трудностей при использовании этих устройств заключается в понимании, как они работают, в микроскопической картине того, как происходят такие огромные и обратимые изменения в их сопротивлении, - сказал Джон Поль Страхан (John Paul Strachan) из НР Labs. – Теперь у нас есть непосредственная картина теплового профиля, который локализован вокруг канала, и это должно сыграть большую роль в ускорении понимания физических основ поведения мемристоров».

«Гонка мегагерц» окончилась примерно 10 лет назад, дойдя до разумного компромисса с рассеиваемой энергией. Казалось, что пути повышения частоты без перегрева чипов не существует.

Однако ученые из МТИ совместно с коллегами из Аугсбургского университета в Германии сообщили об открытии нового физического явления, которое позволило бы производить транзисторы с намного улучшенной емкостью, которая определяет напряжение, необходимое для перемещения зарядов. И это, в свою очередь, могло бы привести к возрождению тактовой частоты как меры вычислительной мощности.

Емкость определяет, какая величина заряда аккумулируется под затвором при заданном напряжении. Мощность, потребляемая чипом, и выделяемое тепло пропорциональны квадрату прикладываемого напряжения. Таким образом, понижение рабочего напряжения может привести к существенному снижению рассеиваемой мощности, создавая возможность повышать тактовую частоту.

Группа ученых исследовала необычную физическую систему, которая образуется путем выращивания алюмината лантана на поверхности титаната стронция. Алюминат лантана состоит из чередующихся слоев окисла лантана и окисла алюминия. Лантановый слой имеет небольшой положительный заряд, алюминиевый – небольшой отрицательный. Результирующее электрическое поле создает разность потенциалов между верхней и нижней поверхностями материала.

Обычно и алюминат лантана, и титанат стронция являются изоляторами. Но физики обнаружили, что если алюминат лантана взять достаточно толстым, напряжение будет увеличиваться до значения, когда некоторые электроны начнут двигаться от верхней поверхности к нижней, чтобы предотвратить так называемую поляризационную катастрофу. В результате в месте соединения с титанатом стронция появляется проводящий канал, во многом подобный тому, который образуется в транзисторах. Тогда ученые решили измерить емкость между каналом и электродом затвора наверху алюмината лантана.

Обнаруженное их удивило. Хотя аппаратура несколько ограничивала возможности эксперимента, но напрашивался вывод, что очень малое изменение напряжения может вызывать появление большого заряда в канале между двумя материалами. Примечательно, что все это работает при комнатной температуре.

Емкость материала оказалась столь высокой, что исследователи сомневались, что это объяснимо существующей физикой. «Мы видели подобный эффект в полупроводниках, - сказал проф. Раймонд Ашури (Raymond Ashoori) из МТИ. – Но это были очень чистые образцы, и эффект был очень мал. А здесь – очень грязный образец и очень большой эффект. Не совсем ясно, почему он такой большой. Это может быть новый квантовомеханический эффект или неизвестная физика материала».

Однако исследованная система обладала одним недостатком: хотя в канале перемещался большой заряд, но вследствие низкой подвижности, ток оставался небольшим. Это может быть следствием сильной загрязненности образца.

Правда, некоторые ученые высказывают опасения, что такие изменения технологии производства чипов, столкнутся с большим сопротивлением индустрии. С этим соглашается и проф. Ашури: «Это не перевернет электронику завтра. Но этот механизм существует, и мы знаем, что он существует, и если мы сможем его понять, мы можем попытаться сделать его приемлемым для индустрии».

Экспериментальная установка с образцом, который выглядит подобно пластинке толстого стекла с тонкими электродами, осажденными наверху