Команда физиков и инженеров из Бристольского университета продемонстрировали квантовую логику, реализованную полностью в оптоволокне, где единичные фотоны генерируются и используются для выполнения квантово-логического вентиля «управляемое НЕТ» с высокой точностью.

Сегодня на практике квантовая технология используется только в квантовой криптографии и расстояния, на которых может быть обеспечены безопасные коммуникации, ограничены.

Более сложные квантовые сети будут требовать множества узлов, способных осуществлять маломасштабную квантовую обработку для увеличения квантовых коммуникаций. Такие сети будут опираться на оптоволоконные каналы, используя генерацию фотонов и обработку информации непосредственно в оптоволокне в качестве ключевых особенностей технологии.

Комментируя разработку, профессор Джереми О’Брайен (Jeremy O’Brien) сказал, что на базе простой модели они способны заключить, что основная трудность – это источник фотонов, сам вентиль работает с высокой точностью.

Полностью оптоволоконная обработка квантовой информации может быть использована в менее зрелых сегодня квантовых технологиях, таких как вычисления, коммуникации и сложные измерения, а также в квантовой оптике.

Физики из Национального института стандартов и технологии (NIST) продемонстрировали устойчивые операции по обработке информации на ионах. Эта работа преодолевает существенные преграды в масштабировании технологии с использованием ионных ловушек.

В новой демонстрации исследователи из NIST неоднократно выполняли комбинированную последовательность из пяти операций квантовой логики и 10 транспортных операций при сохранении и управлении двоичными 0 и 1 на ионах, выполняющих роль кьюбитов в гипотетическом квантовом компьютере, и сохраняя способность последовательно манипулировать информацией.

В эксперименте, выполненном в NIST кьюбиты хранились на двух ионах бериллия, удерживаемых в ловушке с шестью различными зонами. Для перемещений ионов из одной зоны в другую использовалось электрическое поле, а для изменений состояний энергии ионов применялись импульсы лазера специальной частоты и длительности. Ученые продемонстрировали повторяемую последовательность логических операций на ионах и обнаружили, что частота появления ошибок не увеличивается при переходе от серии к серии несмотря на перемещения кьюбитов на макроскопические расстояния (около 1 мм).

Исследователи применили в квантово-информационном процессе две ключевые инновации. Первая заключалась в том, что они использовали два иона магния для охлаждения ионов бериллия после транспортировки, обеспечив тем самым возможность нескольких логических операций без дополнительных ошибок вследствие нагревания в результате транспортировки. Сильное электрическое взаимодействие между ионами позволило охлажденному лазером магнию охладить ионы бериллия без искажения сохраняющейся информации. Такой метод охлаждения был применен впервые для двухкьюбитовых логических операций.

Другой значительной инновацией было использование трех разных пар энергетических состояний ионов бериллия, чтобы удерживать информацию в течение разных шагов процесса обработки.

Многие химические элементы становятся сверхпроводниками при низких температурах или высоком давлении, но вплоть до недавнего времени медь, серебро, золото и германий (полупроводник), к примеру, не удавалось перевести в сверхпроводящее состояние. Ученым Исследовательского центра Forschungszentrum Dresden-Rossendorf (FZD) впервые удалось получить сверхпроводящий германий. Более того, им удалось развеять ряд заблуждений, которые сопровождали сверхпроводимость полупроводников.

Чистые полупроводники, подобные кремнию или германию, при низких температурах практически являются изоляторами, но начинают проводить ток после легирования другими атомами. Обычным методом легирования является ионная имплантация с помощью пучка ускоренных электрическим полем ионов. Для получения сверхпроводящего полупроводника необходимо внести в кристалл большие количества примеси, зачастую бóльшие, чем он может абсорбировать. В FZD образец германия был легирован примерно шестью атомами галлия на 100 атомов германия.

Поскольку решетка германия претерпела существенные изменения вследствие ионной имплантации, она нуждалась в восстановлении. Для этих целей в FZD была разработана импульсная лампа для отжига. С помощью повторяющего нагрева поверхности образца удалось восстановить решетку без изменения распределения атомов примеси.

По мнению ученых, новый материал весьма многообещающий. Он демонстрирует неожиданно высокое критическое магнитное поле по отношению к температуре, при которой вещество становится сверхпроводником. Для многих материалов сверхпроводимость наступает только при очень низких температурах – лишь немногим выше абсолютного нуля. Образец германия, легированный галлием, становится полупроводником при 0,5 К. Однако исследователи ожидают, что смогут повысить температуру с помощью изменения некоторых параметров в процессе ионной имплантации или отжига.

Физики мечтают о сверхпроводящем полупроводнике уже в течение длительного времени, но считали, что шансы получить сверхпроводящий германий невелики. Германий использовался для производства транзисторов первого поколения, однако вскоре был заменен кремнием. Недавно к «старому» полупроводнику снова вырос интерес, поскольку по сравнению с кремнием он позволяет строить более быстрые цепи.

Эксперты полагают, что германий будет вновь открыт для микро- и наноэлектроники. Смысл этого ренессанса обусловлен тем фактом, что возможности миниатюризации в микроэлектронике на базе кремния исчерпываются. Сегодня для транзисторов необходимы крайне тонкие слои оксидов, при которых оксид кремния уже плохо работает. Использование германия для изготовления микросхем может привнести два преимущества: он может обеспечить как более быстрые схемы, так и дальнейшую миниатюризацию. Сверхпроводящий германий может, таким образом, помочь реализации цепей для создания инновационных компьютеров.

Более десятилетия ученые не могли достичь успеха в создании непрерывно излучающих источников от индивидуальных молекул вследствие особенности, называемой «мерцание». Однако теперь ученым из Рочестерского университета удалось понять физику, лежащую в основе этого явления, и совместно с исследователями из Eastman Kodak создать нанокристалл, который постоянно излучает свет.

Открытие может привести к созданию существенно более дешевых и более универсальных лазеров, ярких светодиодов и биологических маркеров, с помощью которых можно отслеживать взаимодействие лекарств с клетками на уровне, ранее не достижимом.

Многие молекулы а также и кристаллы могут поглощать или излучать фотоны. Но иногда при поглощении фотона излучения не происходит – его энергия превращается в тепло. Эти «темные» периоды чередуются со «светлыми», когда молекулы излучают нормально, и приводят к мерцанию.

Группа, которую возглавляли Тод Краус (Todd Krauss) и Кит Каэн (Keith Kahen), изучала новые типы кристаллов, подобные органическим светодиодам, но у которых нет присущих последним недостаткам – короткому сроку службы и проблем при изготовлении. В ходе исследований оказалось, что в одном из них отсутствует эффект мерцания. Он непрерывно излучал в течение четырех часов, в то время как в типичном случае мерцание случается через несколько миллисекунд или минут.

После длительного изучения исследователи пришли к заключению, что отсутствие мерцания является следствием необычной структуры нанокристалла. Нормально нанокристалл имеет ядро из одного полупроводника, обернутого в защитную оболочку другого с резкой разделяющей границей. Новый нанокристалл, однако, имеет непрерывный градиент от ядра из кадмия и селена к оболочке из цинка и селена. Этот градиент подавляет процесс безизлучательного поглощения фотона.

По мнению Крауса, лазеры на новых немерцающих кристаллах могут быть чрезвычайно дешевыми и легкими в изготовлении. Сегодня лазеры с разным цветом излучения создаются из различных материалов и с помощью различных процессов. Новые нанокристаллы позволят создавать лазеры любого цвета по одному техпроцессу. Чтобы изменить цвет излучения, достаточно просто изменить размер нанокристалла, что является относительно простой задачей.

При помощи новейшей измерительной техники исследователи из Технологического института в Джорджии и из NIST осуществили прямые измерения необычного энергетического спектра графена. Эта работа добавила новые детали, помогающие объяснить его свойства.

Экзотическое поведение графена обещает интригующие перспективы для будущих технологий, включая высокоскоростную электронику, которая может заменить сегодняшние кремниевые интегральные схемы, и другие устройства. Даже при комнатной температуре электроны в графене более чем в 100 раз подвижнее, чем в кремнии. В обычных материалах скорость электронов определяется их энергией, но это не так в графене. Хотя их скорость и не приближается к скорости света, несвязанные электроны в графене ведут себя во многом подобно безмассовым частицам, которые двигаются со скоростью, не зависящей от их энергии.

Загадочное безмассовое поведение связано и с другими странностями. Когда обычный проводник помещается в сильное магнитное поле, носители заряда, такие как электроны, начинают двигаться по круговым орбитам, которые ограничиваются дискретными равноотстоящими уровнями энергии. В графене же эти уровни, вследствие «безмассовости» электронов, разделены не равными энергетическими щелями.

Группа ученых проследила эти безмассовые электроны в действии, используя разработанный в NIST прибор, дающий увеличение в миллиард раз, что позволило отследить электронные состояния в сильных магнитных полях. Построенный по специальному проекту сверхнизкотемпературный и сверхвысоковакуумный сканирующий туннельный микроскоп позволил им развернуть регулируемое магнитное поле по ширине графеновых образцов, приготовленных в Технологическом институте, и наблюдать и отображать необычное неоднородное расположение дискретных энергетических уровней.

Команда разработала карту распределения энергетических уровней в графене с высоким разрешением. В противоположность металлам и другим проводящим материалам, где расстояния между энергетическими пиками равны, эти расстояния не были равными в графене.

Магнитные свойства ферромагнетиков резко меняются, когда размеры этих материалов становятся нанометровыми. Так говорят исследователи из Университета Аликанте в Испании, которые обнаружили, что магнетизм в сильных магнитах, таких как железо, кобальт и никель, может исчезнуть. Это явление необходимо будет учитывать при разработке будущих магнитных структур в наношкале.

«Наше открытие показало, что электрон-электронное взаимодействие, которым часто пренебрегают, при определенных условиях может стать крайне важным», - сказал руководитель группы Карлос Унтиедт (Carlos Untiedt).

В структурах на атомном уровне обычное магнитное взаимодействие конкурирует с добавочным магнитным эффектом, известным как эффект Кондо (открытый Jun Kondo в 1964 г.). Он заключается в том, что при низких температурах спины электрона магнитной примеси и электрона проводимости сильно связываются в противоположных направлениях, образуя в целом немагнитное состояние. Конкурирующий эффект Кондо приводит к отдельным особенностям в электропроводимости.

Для процесса Кондо необходимо наличие неспаренных электронов (а значит, и неспаренных спинов), локализованных в некоторой области. Обычно их роль выполняют электроны магнитных примесей. В представленной же работе неспаренный электрон принадлежит частично связанному атому, который находится «в контакте» с электронами проводимости. Один из них мог бы понизить свою кинетическую энергию, образовав пару с локализованным электроном, но вероятность этого мала вследствие их отталкивания. Исследователи из Аликанте были удивлены, обнаружив этот эффект, поскольку в их случае была химически однородная система.

Из сделанного открытия следует, что ученые, моделирующие магнитные свойства наноструктур, должны принимать во внимание этот сравнительно сильный корреляционный эффект.

Независимый исследовательский институт IMEC (Бельгия) сообщил о методе, позволяющем объединить высокоскоростную КМОП-электронику и нанофотонные цепи, базирующиеся на плазмонных эффектах.

Использующая металлы нанофотоника (плазмоника) может «сжать» свет в нанометровых структурах, которые намного меньше традиционных оптических компонентов. Плазмонная технология, находящаяся сегодня все еще на стадии экспериментов, может быть использована в будущих приложениях, таких как оптические нанометровые связи в высокопроизводительных компьютерных чипах, высокочувствительные молекулярные датчики и эффективные тонкопленочные солнечные элементы.

Оптические свойства наноструктурированных металлов очень привлекательны для использования в нанофотонных приложениях. Когда такие наноструктуры облучаются видимым светом близким к инфракрасной области, возбуждение коллективных колебаний электронов проводимости, называемое поверхностными плазмонами, создает сильные оптические резонансы. Более того, поверхностные плазмоны способны захватывать, проводить и фокусировать электромагнитную энергию в субволновых масштабах, т. е. меньших, чем дифракционный предел. Это отличает их от обычных диэлектрических световодов, размеры которых ограничиваются длиной волны света и которые не могут быть уменьшены до десятков нанометров – размеров компонентов сегодняшних наноэлектронных интегральных схем.

Нанометровые плазмонные цепи обеспечат массовую параллельную маршрутизацию оптической информации в ИС. Но в итоге, данные в оптической форме должны быть преобразованы в электрические сигналы. Чтобы сделать такую ИС, нужно объединить высокоскоростную КМОП-электронику и плазмонные цепи с помощью интерфейсов, которые связывают сигналы из плазмонных волноводов и электронные устройства.

В качестве шага на этом пути исследователи из IMEC продемонстрировали электрическую регистрацию коротковолновых поверхностных плазмонных поляритонов (связанных со светом поверхностных плазмонов) в плазмонном волноводе на основе металл-диэлектрик-металл. Регистрация была осущесвлена посредством встроенного в металлический плазмонный волновод фотодетектора. Поскольку волновод и фотодетектор имели сравнимые размеры, наблюдалось эффективное связывание поверхностных плазмонов в фотодетекторе и сверхбыстрый ответ.

В IMEC было проведено ряд экспериментов, которые однозначно продемонстрировали эту электрическую регистрацию. Экспериментально полученная зависимость поляризации от длины волновода и измеренный спектральный ответ соответствовали теоретическим предсказаниям. Эти результаты прокладывают дорогу к объединению наномерных плазмонных цепей и высокоскоростной электроники.

Физики из Национальной лаборатории Департамента энергетики США в г. Эймсе (Ames Labolatory) экспериментально продемонстрировали, что механизм сверхпроводимости в недавно открытых сверхпроводниках из арсенида железа является уникальным по отношению ко всем другим известным классам сверхпроводников. Это открытие совместно с потенциально хорошей способностью проводить ток благодаря низкой анизотропии может открыть дверь для многообещающих приложений в области передачи тока с нулевым сопротивлением.

Исследование, возглавляемое Русланом Прозоровым, показало, что образование электронных пар в арсениде железа весьма вероятно очень отличается от других типов известных сверхпроводников. В сверхпроводящих материалах ниже критической температуры электроны объединяются в пары, называемые куперовскими, и эти пары ведут себя идентично. Наиболее известная особенность сверхпроводников – прохождение электрического тока без сопротивления – обусловлена коллективным движением куперовских пар.

Однако сверхпроводники имеют еще одно присущее им свойство, которое отличает их от «хороших металлов», - они вытесняют слабое магнитное поле из своего объема (эффект Мейснера). В любом случае, слабое магнитное поле проникает только в узкую область поверхности сверхпроводника. Глубина этой области известна как лондоновская глубина проникновения.

«Изменение лондоновской глубины проникновения в зависимости от температуры определяется структурой энергетической щели, которая, в свою очередь, зависит от квантового механизма формирования электронных пар, - сказал Прозоров. – Лондоновская глубина проникновения является одной из основных экспериментально измеряемых величин при изучении сверхпроводников».

В обычных сверхпроводниках, включая свинец и ниобий, зависимость лондоновской глубины проникновения от температуры экспоненциальная при низких температурах. В высокотемпературных сверхпроводниках класса купраты, зависимость линейная, и в магнии дибориде зависимость также экспоненциальная, но требует двух разных энергетических щелей для объяснения данных во всем температурном диапазоне.

В противоположность этому, группа из Лаборатории Эймса обнаружила, что сверхпроводники из арсенида железа демонстрируют степенной – почти квадратичный – закон изменения глубины проникновения с температурой.

Так как лондоновская глубина проникновения связана с поведением электронных пар, полученные данные наводят на мысль, что поведение электронных пар в сверхпроводниках из арсенида железа также отлично от такового в других известных сверхпроводниках.

Вдобавок группа обнаружила, что полученные экспериментальные данные для сверхпроводников из арсенида железа могут быть объяснены только при предположении о наличии двух разных энергетических щелей. Таким образом эти сверхпроводники проявляют свойства как высокотемпературных сверхпроводников купратов, так и магния диборида.

Руслан Прозоров отметил, что уникальные свойства сверхпроводников из арсенида железа позволяют ему предполагать, что в этих материалах температура перехода в сверхпроводящее состояние может быть близка к комнатной.

Команда ученых Йельского университета открыла «силу отталкивания» света, которая может быть использована для управления компонентами кремниевых микрочипов. Это означает, что будущие наноустройства могут управляться с помощью света, а не электричества.

Ранее команда открыла «силу притяжения» света и показала, как с ее помощью можно двигать компоненты в полупроводниковых микро- и наноэлектрических устройствах – тонкие механические переключатели на чипах. Теперь ученые открыли дополнительную силу – отталкивания. Еще в 2005 г. они предсказали существование обеих сил, но последняя вплоть до недавнего времени оставалась экспериментально не доказанной. Группа ученых, возглавляемая ассистентом профессора Йельской школы инженерных и прикладных наук Хонгом Тангом (Hong Tang), опубликовала свое открытие в июльском номере онлайнового журнала Nature Photonics.

Силы притяжения и отталкивания света являются силами совершенно другой природы, чем те, которые создаются световым давлением. Они действуют как бы сбоку от направления светового луча.

Ранее ученые использовали обнаруженную силу притяжения света для движения компонентов на кремниевых микросхемах в одном направлении, к примеру, для того, чтобы открыть нанометровый переключатель, но не могли переместить его в обратном направлении, т. е. закрыть. Использование двух дополнительных сил означает, что можно манипулировать объектами в противоположных направлениях.

Для того чтобы создать силу отталкивания, ученые расщепили пучок инфракрасного света на два отдельных луча и заставили каждый их них проходить по кремниевому волноводу разной длины. В результате происходит расфазирование лучей, что приводит к появлению силы отталкивания, интенсивность которой может регулироваться - чем больше разность фаз, тем больше сила. При этом такое управление величиной силы не может быть осуществлено в свободном пространстве. Эффект возможен только тогда, когда свет ограничен нанометровыми волноводами, которые размещаются близко друг к другу на чипе.

ПК могут вскоре сберегать большое количество энергии, обретя возможность «говорить во сне». Ученые из Калифорнийского университета в Сан-Диего и Microsoft Research создали прототип устройства для ПК, которое вводит новое состояние энергосбережения, известное как «sleep talking».

Обычно ПК могут либо бодрствовать, когда они потребляют энергию, даже когда не используются, либо в режиме сна, когда они сберегают значительное количество энергии, но неактивны и нечувствительны к сетевому трафику. Новое состояние практически обеспечивает энергосбережение, как и в спящем режиме, и сетевую активность, как в режиме бодрствования.

«Многие пользователи держат ПК активными, даже если они большей частью находится в холостом режиме, поскольку хотят оставаться подсоединенными к внутренней сети или к Интернету или к обеим, - говорит один из разработчиков Юврай Агаруол (Yuvraj Agarwal). – Большинство задач, ради которых включены компьютеры – удаленный доступ и возможность для сканирования вирусов, присутствие в сети и мгновенные сообщения, доступность для входящих звонков VoIP, разделение файлов и их загрузка – могут выполняться при много меньшем потреблении энергии, чем в активном режиме».

Для реализации этой идеи команда разработала небольшое устройство с USB-портом и соответствующее ПО, которые позволяют ПК оставаться в спящем режиме и в то же время присутствовать в сети и выполнять ряд прикладных функций. Оно поддерживает службу мгновенных сообщений, VoIP, загрузку больших файлов с веб-сайтов, разделение файлов в сетях Р2Р и удаленный доступ. По словам разработчиков, система легко расширяется для поддержки других приложений.

Ученые назвали свою систему «Сомнилоквия» (речевая активность во время сна). Фактически система позволяет ПК «говорить» другим хостам в сети «я бодрствую и могу выполнять не требующие большой интенсивности вычислений задачи». При необходимости увеличить вычислительные ресурсы устройство будит ПК.

Цель сомнилоквии – поощрять пользователей чаще переводить свои ПК в режим сна. Устройство построено на базе компьютера с очень низким энергопотреблением. Оно оборудовано маломощным процессором, некоторым количеством оперативной памяти, облегченной ОС и небольшим объемом флэш-памяти для хранения данных. Малопотребляющий второй процессор функционирует как сетевой интерфейс ПК. Он работает под управление встроенной ОС и симулирует активность спящего ПК другим хостам в сети. При необходимости сомнилоквия разбудит ПК через USB-порт.

Представленный прототип работает с десктопами и ноутбуками через проводные или беспроводные сети. Он не требует каких-либо изменений в ОС ПК, маршрутизаторах или в других сетевых устройствах.

По оценкам разработчиков, устройство потребляет от 11 до 24 раз меньше энергии, чем ПК при холостом режиме, что может вылиться в экономию от 60 до 80% энергии в зависимости от модели использования компьютера.