Исследователи постоянно работают над тем, чтобы уменьшить разрыв между теорией и практикой квантовых вычислений. Один из путей создания квантовых компьютеров заключается в использовании захваченных ионов в качестве кьюбитов. Однако при масштабировании таких устройств встречаются трудности.

В Институте технологических исследований штата Джорджия (Georgia Tech Research Institute, GTRI) разработали, изготовили и протестировали планарные ионные ловушки, которые могут быть объединены в большой массив. Исследования возглавляют старшие научные сотрудники GTRI Дик Слашер (Dick Slusher) и Алекса Хартер (Alexa Harter).

Планарные ионные ловушки используют комбинацию радиочастотных сигналов и постоянного напряжения, приложенного к алюминиевым электродам, которые размещены слоями на кремниевом субстрате. Планарная геометрия ловушек позволяет их масштабировать до больших систем и предоставляет лучший доступ для лазеров по сравнению с существующими ловушками.

Лазеры применяются для того, чтобы перевести ионы в зацепленное состояние. Используя системы захваченных ионов, исследователи измерили зацепление явно и смогли сохранить его на длительный отрезок времени. На сегодня самое большое число зацепленных ионов (кальция) равно восьми. Для выполнения вычислений, которые нельзя осуществить на классическом компьютере, необходимо по крайней мере 30 ионов. Поэтому, основная проблема заключается в увеличении числа захваченных ионов, которые могут взаимодействовать.

Камера ионной ловушки

Команда из GTRI использовала компьютерную симуляцию электромагнитного поля ловушек и захвата ионов, чтобы разработать универсальные ловушки, способные удержать много ионов. Схема была улучшена с помощью генетических алгоритмов, которые обеспечивали обратную связь для построения формы и размещения электродов, чтобы оптимизировать глубину ловушки и минимизировать нагрев, когда ионы передвигаются между зонами захвата.

Был создан и протестирован прототип устройства. Результаты оказались положительными.

К сожалению, о количестве захваченных ионов в данной новости не сообщается.

Самая точная на сегодня проверка справедливости общей теории относительности (ОТО) была выполнена с помощью двух независимых экспериментов. Результаты получены в обсерватории Chandra X-ray аэрокосмического агентства NАСА.

Каждая из двух команд ученых выполнила крупномасштабные наблюдения за скоплениями галактик (кластерами галактик) – наибольшими объектами во Вселенной, связанными гравитацией. Один результат ограничивает конкурирующие модели тяготения, тогда как второй показывает, что теория Эйнштейна работает на огромных временных отрезках и расстояниях.

Первое открытие существенно ослабляет позиции альтернативной теории гравитации, известной как «f(R) gravity».

В последнее время физики переключили свое внимание на конкурирующие теории тяготения как возможное объяснение ускоренного расширения Вселенной. Сегодня ответственность за это явление несет космологическая константа, которая может быть интерпретирована как энергия, существующая в пустом пространстве. Эту энергию называют темной энергией, чтобы подчеркнуть тот факт, что она не может быть прямо обнаружена.

В f(R)-теории причиной ускорения является не экзотическая форма энергии, а модифицированная сила тяготения. Модифицированная сила также определяет скорость, с которой небольшие укрупнения вещества могут через эоны стать массивными галактическими кластерами, что открывает возможность экспериментальной проверки теории.

Фабиан Шмидт (Fabian Schmidt) из Калифорнийского технологического института в Пасадене с коллегами для оценки использовал массы 49 кластеров в ближнем космосе и сравнил их с предсказаниями теоретической модели и изучением сверхновых и с распределением галактик в дальнем космосе.

Группа не обнаружила существенных расхождений с ОТО на расстояниях, более чем 130 млн. световых лет. Этот предел соответствует стократному улучшению границ, даваемых альтернативной теорией.

Метод на базе роста кластеров обещает служить хорошим тестом и для других модифицированных сценариев теории тяготения, таких как модели на базе теории струн и более высоких размерностей пространства-времени.

Второе независимое изучение также укрепило позиции общей теории относительности посредством прямой ее проверки в космологических масштабах пространства и времени. До недавнего времени ОТО проверялась экспериментами в рамках Солнечной системы, оставляя открытым вопрос о ее справедливости для много больших масштабов.

Чтобы исследовать эту проблему группа из Стэнфордского университета сравнила наблюдения обсерватории Chandra, как быстро росли кластеры галактик, с предсказаниями ОТО. Результаты показали хорошее соответствие между теорией и наблюдениями.

«Теория Эйнштейна снова оказалась успешной, на этот раз в вычислении как много массивных кластеров сформировалось под действием притяжения в течение пяти миллиардов лет, - сказал Дэвид Рапетти (David Rapetti) из Института Кавли при Стэнфордском университете. – Волнующим и обнадеживающим является факт, что наши результаты – наиболее надежная и последовательная проверка ОТО, когда-либо выполненная в космологических масштабах».

Это композиционное изображение галактического кластера Abell 3376 представляет рентгеновское изображение («золото»), оптическое изображение (красное, зеленое и синее) и радиоизображение (синее). Пулеобразные включения вызываются поглощением – поток материи течет в галактический кластер с правой стороны. Гигантские радиодуги на левой стороне картинки могут быть вызваны ударными волнами, генерируемыми этим поглощением.

Рапетти с коллегами обосновали свои результаты на выборке из 238 кластеров, обнаруженных рентгеновским телескопом ROSAT. Эти данные были уточнены посредством измерений масс для 71 кластера в дальней вселенной с помощью Chandra и 23 относительно близких кластера с помощью ROSAT и объединены с результатами изучения сверхновых, микроволнового космического фонового излучения, распределением галактик и кластеров.

Кластеры галактик являются важными объектами в поиске понимания устройства Вселенной в целом. Так как массы кластеров галактик определяются прямо свойствами гравитации, они обеспечивают решающую информацию. Другие методы, такие как наблюдения за сверхновыми или распределением галактик, измеряют космические расстояния, которые зависят только от скорости расширения вселенной. В противоположность им кластерная техника, используемая Рапетти с коллегами, измеряет вдобавок скорости роста космических структур в зависимости от гравитации.

Виртуализация и облачные вычисления предоставляют пользователям компьютерные ресурсы и приложения, локализованные на удаленных группах серверов, но вопросы безопасности в отношении конфиденциальности данных ограничивают доверие публики и замедляют признание этой новой технологии.

Теперь исследователи из Университета Северной Каролины (NCSU) разработали новую технику и ПО, которые могут послужить ключом для решения проблемы. «То, что мы сделали, представляет существенное продвижение в области безопасности для облачных вычислений и других виртуализованных приложений, - говорит адъюнкт-профессор computer science Сюйсянь Цзян (Xuxian Jiang). – Любой, интересующийся виртуализацией, заинтересуется также и этой работой».

Одной из основных угроз для виртуализации и облачных вычислений является вредоносное ПО, которое попадает в один компьютер, а затем распространяется на гипервизор и, в конце концов, на системы других пользователей. «Если осуществляется такой сорт атаки, он нарушает конфиденциальность пользовательских данных в облачных вычислениях, и пользователи не станут доверять этой технологии», - продолжает д-р Цзян.

Группа разработала ПО, называемое HyperSafe, которое использует особенности имеющейся аппаратной части, чтобы обезопасить гипервизор от таких атак.

В типичном случае для воздействия на гипервизор вредоносное ПО должно запустить свой собственный код. Для предотвращения этого HyperSafe использует две компоненты. Первая реализует технику, которая называется non-bypassable memory lockdown (что можно перевести как «не обходимая блокировка памяти»), которая явно и надежно запрещает введение нового кода всем, кроме администратора гипервизора. Попутно она также предотвращает попытки модификации существующего кода гипервизора внешними пользователями. Вторая использует технику, называемую restricted pointer indexing (возможно «ограниченная индексация указателя»), которая вначале определяет показатели нормального поведения гипервизора, а затем предотвращает любое отклонения от снятого профиля. Изменять код гипервизора позволяется только администраторам.

Хотя ученые говорят, что спинтроника обещает превзойти стандартную электронику в построении следующего поколения более быстрых, меньших и эффективных компьютеров и высокотехнологических устройств, никто из них реально не видел спина в индивидуальных атомах. И вот физики из Университета штата Огайо и Гамбургского университета в Германии представили первые «изображения» спина в действии.

Для этого исследователи построили специально разработанный микроскоп с покрытым железом зондом, чтобы манипулировать атомами кобальта на пластинке марганца. Посредством сканирующего туннельного микроскопа команда изменила положения атомов кобальта на поверхности, что вызвало изменение направления спинов электронов. Изображения, захваченные учеными, показали, что атомы появлялись как единственное выпячивание, если спины были направлены вверх, и как два выпячивания, если спины были направлены вниз.

Изучение наводит на мысль, что ученые могут наблюдать и манипулировать спином, открытие, которое может повлиять на будущее развитие наномасштабных магнитных устройств хранения, квантовых компьютеров и спинтронных устройств.

«Разные направления спинов может обозначать разные состояния для устройства хранения, - говорит Соу-Вай Хла (Saw-Wai Hla), адъюнкт-профессор физики и астрономии Университета штат Огайо. – Устройства памяти современных компьютеров включают десятки тысяч атомов. В будущем нам удастся использовать один атом и в тысячи раз увеличить вычислительную мощность компьютеров».

Эксперимент был проведен в сверхвысоком вакууме при температуре 10°К, достигнутой с помощью жидкого гелия. Поэтому, для использования в компьютерах и других электронных устройствах, эксперимент необходимо выполнить при комнатной температуре.

Связь между поведением квантовых систем и макромиром давно находится под пристальным вниманием ученых. Исследователи из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре представили первую явную демонстрацию того, что квантовая механика применима к механическому движению объектов достаточно больших, чтобы видеть их невооруженным глазом.

В статье, опубликованной в онлайновом журнале Nature, аспирант Аарон О’Коннелл (Aaron O'Connell) и профессора Джон Мартинис (John Martinis) и Эндрю Клеланд (Andrew Cleland) описали первую демонстрацию механического резонатора, который был охлажден до основного состояния. Далее они возбудили резонатор квантом энергии, используя для этого квантовый бит. Реакция резонатора в точности соответствовала предсказаниям квантовой механики.

«Это важная проверка квантовой теории и значительный шаг вперед в наномеханическом исследовании», - сказал Клеланд.

Исследователи достигли основного состояния, разработав и сконструировав микроволновый механический резонатор. Он подсоединили его к электронному устройству, разработанному для квантовых вычислений, – кьюбиту (или кубиту, как сейчас часто говорят) на сверхпроводящих элементах, и охладили конструкцию до температуры, близкой к абсолютному нулю. Используя кьюбит как квантовый термометр, исследователи продемонстрировали, что в механическом резонаторе не происходили возбужденные колебания, то есть он оставался в основном состоянии. Это означало, что охлажденный резонатор подчинялся законам квантовой механики.

Они создали единственный фонон, квант механического колебания, соответствовавший первому возбужденному колебательному состоянию, и наблюдали обмен энергией между резонатором и кьюбитом. Во время обмена фононом кьюбит и резонатор переходили в состояние квантового зацепления, так что выполнение измерений на кьюбите приводило резонатор в определенное колебательное состояние.

В сопутствующих экспериментах ученые приводили квантовый резонатор в суперпозицию основного и возбужденного состояния. В целом, поведение резонатора соответствовало предсказаниям квантовой теории.

Физики из Федерального института технологии (ETH, Цюрих, Швейцария) разработали новый вид лазера, который выходит за границы возможного: он вне всяких сомнений самый маленький лазер в мире с электрической накачкой и однажды может привести к пересмотру технологии изготовления микросхем.

При длине 30 мкм он излучает свет с длиной волны примерно в восемь раз больше – 200 мкм. Впервые длина волны излучения превысила размеры лазера. Обычно лазеры не могут быть меньше, чем излучаемая ими длина волны. Дело в том, что в обычном лазере излучение формируется в оптическом резонаторе. При этом волны испытывают многократные отражения между двумя зеркалами. Принцип работает только в том случае, когда зеркала больше, чем длина волны лазера. Попытки преодолеть этот барьер предпринимались и раньше, но сделать это удалось, лишь разработав полностью новую концепцию лазера.

При разработке лазерной концепции Кристоф Уолтер (Christoph Walther), аспирант группы квантовой оптоэлектроники, под руководством проф. Джерома Фэста (Jérôme Faist) почерпнул идеи из электроники. «Взамен обычного оптического резонатора мы использовали электрический резонансный контур, сделанный из индуктивности и двух конденсаторов, - объясняет Уолтер. – Свет «захватывается» контуром и вызывает электромагнитные колебания в участке цепи, где имеется оптический усилитель. Это значит, что размер резонатора больше не определяется длиной волны света и может в принципе быть сделан желаемой величины».

Это делает микролазер особенно интересным для производителей чипов, так как в один прекрасный день позволит использовать их для построения оптоэлектронных чипов со сверхвысокой плотностью электронных и оптических компонентов.

В квантовом мире правят случайность и вероятность. Поведение квантовых частиц не может быть предсказано с определенностью. Это приводит к так называемому квантовому шуму, который принципиально ограничивает точность большинства атомных часов и интерферометров. Решение этой проблемы заключается в использовании зацепленных атомных систем.

Барьер был преодолен командой, возглавляемой проф. Теодором Хеншем (Theodor W. Hänsch) и проф. Филиппом Тройтлайном (Philipp Treutlein) из Института квантовой оптики Макса Планка. Впервые ученые добились успеха в создании многочастичного зацепления в атомном чипе.

Атомным называется микроструктурированный чип, в котором можно сохранять и манипулировать отдельными атомами или облаком атомов. Атомные чипы широко используются как для изучения фундаментальных проблем квантовой физики, так и для множества различных приложений. Например, портативные чип-базированные атомные часы были разработаны на основе этой технологии. Однако вплоть до недавнего времени не существовало метода, чтобы создать зацепление в чипе. И до тех пор, пока атомные часы работают с независимыми атомами, их точность будет ограничиваться квантовым шумом.

Два года назад физики-теоретики Алиса Синатра (Alice Sinatra) и Ли Юнь (Li Yun) в сотрудничестве с группой Филиппа Тройтлайна разработали концепцию, как подавить этот квантовый шум. Эксперимент начался с захвата облака атомов рубидия в чипе и охлаждения его меньше одной миллионной градуса выше абсолютного нуля. При этой температуре атомы образуют конденсат Бозе-Эйнштейна, в котором все атомы находятся в одном и том же хорошо определенном так называемом основном состоянии, при котором их спины ориентированы вниз. Микроволновый импульс возбуждает конденсат, при этом каждый атом находится в суперпозиции двух состояний – со спином вверх и вниз.

Затем конденсат подвергается воздействию зависящего от состояния потенциала, который создавался вторым микроволновым полем. Под влиянием этого поля могут сталкиваться только атомы с одинаковым направлением спина. Поэтому динамическая эволюция их состояний зависит от состояний всех других атомов. Этот эффект ведет к зацеплению атомов.

При измерении в конденсате незацепленных атомов в среднем половина из них находилась в основном состоянии (спин вниз), тогда как другая половина – в возбужденном состоянии (спин вверх). Отклонения от этого среднего значения, которое встречалось от измерения к измерению, приводит к квантовому шуму.

Для того чтобы исследовать влияние зависящего от состояния потенциала на квантовый шум, ученые определили шум для каждой спиновой компоненты, используя еще один микроволновый импульс. Они ясно продемонстрировали, что для одной компоненты спина шум мог быть «сжат» ниже предела, даваемого соотношением неопределенностей Гейзенберга. Из наблюдаемого снижения шума ученые сделали вывод, что внутри кластеров конденсата по крайней мере четыре атома зацеплялись.

Используя зацепленные ансамбли атомов, точность атомных часов может быть существенно увеличена. Дальнейшие приложения включают высокочувствительные атомные интерферометры для определения крайне малых сил и реализации квантовых шлюзов, ключевых элементов будущих квантовых компьютеров. Но ученые также надеются получить более глубокое понимание процессов, ведущих к квантовой корреляции в многочастичных квантовых системах.

Изобретение, сделанное д-ром Джекобом Шоером (Jacob Scheuer) из Школы электроинженеров Тель-Авивского университета, обещает предоставить защиту информации на базе существующих оптоволоконных и компьютерных технологий, которая не сможет быть взломана хакерами ни сейчас, ни в будущем. Передавая двоичные ключи шифрования и дешифрования в форме импульсов света, его устройство обеспечивает расшифровку открытого ключа только отправителем и получателем и более никем.

«Когда в 1970 г. была введена система шифрования RSA, разработчики предсказывали, что для взлома 200-битового ключа понадобится миллиард лет, – говорит д-р Шоер. – Он был взломан пять лет назад. Но она до сих пор остается лучшей системой шифрования для потребителей при покупках онлайн и операциях с пластиковой картой. По мере того как компьютеры становятся все более мощными, идея использования системы RSA становится все более уязвимой».

Д-р Шоер говорит, что решение лежит в новом типе системы, которая скрывает информацию от любопытных глаз: «Вместо разработки ключей шифрования мы разработали систему, которая действует как носитель ключа».

Однако как секретный ключ может быть передан по незащищенной сети? Если хакер видит, как ключ передается по сети, то он в состоянии его перехватить. Д-р Шоер нашел способ передавать двоичный код ключа в форме «1» и «0», используя для этого импульсы света. Значения импульсов известно только пользователям, для хакера они все выглядят идентичными.

Д-р Шоер разработал свою систему на базе специального лазера, который он изобрел. Он может передавать сигналы на расстояния более 3,5 тыс. км без значительных потерь. По мнению изобретателя, такая реализация является более простой и надежной, чем квантовая криптография. Кроме того, дальность передачи может быть увеличена вплоть до осуществления международной связи.

Наилучшая теория для объяснения субатомного мира стартовала в 1928 г., когда Поль Дирак объединил квантовую механику и специальную теорию относительности для объяснения поведения электронов. В результате появилась релятивистская электродинамика, которая легла в основу квантовой теории поля. С некоторыми допущениями и поправками квантовая теория поля оказалась достаточно сильной, чтобы образовать базис так называемой Стандартной модели элементарных частиц и действующих сил.

«Однако необходимо понимать, что Стандартная модель не описывает всех явлений и поэтому внутренне не полна», - говорит Дмитрий Будкер, научный сотрудник отдела ядерной физики Национальной Лоуренсовской лаборатории в Беркли и профессор физики Калифорнийского университета.

Будкер давно интересуется проверкой широко принятых фундаментальных физических положений. В выпуске Physical Review Letters от 25 июня он с коллегами опубликовал сообщение о наиболее точном на сегодня эксперименте по проверке основных положений квантовой статистики.

Согласно квантовой статистике, элементарные частицы с полуцелым спином подчиняются статистике Ферми-Дирака (фермионы), а с целым – Бозе-Эйнштейна (бозоны). Их поведение совершенно различно. К примеру, в атоме два фермиона не могут находиться в одном и том же квантовом состоянии (принцип Паули), тогда как любое количество бозонов - может.

Электроны, нейтроны, протоны и многие другие частицы материи являются фермионами, фотоны, пи-мезоны и ядра дейтерия – бозонами. Если квантовая статистика окажется неверной, то рухнет все здание квантовой теории поля, а вместе с ней – основные предположения о структуре пространства-времени и даже причинности.

Дмитрий Будкер, Дамон Инглиш, научный сотрудник департамента физики Калифорнийского университета, и Валерий Янчук, научный сотрудник Berkeley Labs, выполнили экспериментальную проверку теоремы, используя лазерные пучки для возбуждения электронов в атомах бария. В атомах бария наблюдается двухфотонный переход, при котором два фотона поглощаются одновременно и вместе переводят электроны атома на более высокие уровни энергии.

«Двухфотонные переходы не являются редкостью, - говорит Инглиш. – Но их отличает от однофотонных то, что конечное состояние может быть достигнуто двумя путями: порядком, в котором фотоны поглощаются во время перехода. Эти пути могут интерферировать, уничтожая или усиливая эффект. Фактор деструктивного или конструктивного эффекта интерференции определяется тем, являются ли фотоны бозонами или фермионами. Квантовая статистика запрещает двухфотонный переход в барии, если фотоны имеют одинаковую энергию (длину волны). Ученые искали нарушения этого правила.

Попытка возбудить запрещенные двухфотонные переходы в пучке атомов бария была предпринята с помощью двух встречных лазерных пучков, идентичных во всем за исключением поляризации. Противоположная поляризация была необходима для сохранения углового момента. Если бы запрещенные переходы вызывались двумя фотонами с одинаковой длиной волны от двух лазеров, то они были бы обнаружены за счет испускания атомами флуоресцентного излучения определенного цвета.

При тщательном и многократном повторении эксперимента обнаружить что-либо не удалось. Шансы, что два фотона ведут себя как фермионы, оказались не выше, чем один на сто миллиардов. Этот эксперимент улучшил предыдущий, выполненный в 1999 г., более чем на три порядка.

Корпорация Тошиба анонсировала 15 июня, что она разработала технологию для нанопроволочного транзистора, основного кандидата для БИС 16-нанометровой генерации. За счет уменьшения паразитного сопротивления был достигнут уровень тока в состоянии «включено» 1 мА/мкм, самый высокий в мире для нанопроволочных транзисторов. Это является существенным шагом навстречу практическому применению нанопроволочных транзисторов. Достижение было представлено 17 июня на Симпозиуме по технологиям СБИС, проходившем на Гавайях.

Когда размеры современных планарных транзисторов становятся слишком малыми, ток утечки между истоком и стоком превращается в критическую проблему с точки зрения надежности цепей. Для ее преодоления исследуются транзисторы с трехмерной структурой, в том числе и кремниевые нанопролочные транзисторы. В них можно подавить ток утечки и достичь короткоканальных операций, поскольку их проволокоподобные кремниевые каналы (нанопроволочные каналы) эффективно управляются затвором. Однако паразитное сопротивление в сформированном канале исток-сток, в особенности в области под боковой стенкой затвора, уменьшает ток во включенном состоянии.

Тошиба преодолела эту проблему путем оптимизации изготовления затвора и значительного уменьшения толщины его стенки – с 30 нм до 10 нм. Низкое паразитное сопротивление было достигнуто эпитаксиального выращивания кремниевых истока/стока тонкой стенкой затвора, что привело к увеличению на 40% тока в состоянии «включено».

В целом Тошиба продемонстрировала лучший в индустрии уровень тока в состоянии «включено» - 1 мА/мкм при уровне тока в состоянии «выключено» 100 нА/мкм, то есть 75% увеличение уровня первого при том же уровне второго.