Перспективы квантового Интернета зависят от сложности использования света для передачи квантовой информации по оптоволоконным сетям. О потенциальном шаге вперед сообщили исследователи из Швеции, разработавшие интегрированные чипы, которые могут генерировать фотоны по запросу и без необходимости экстремального охлаждения.

Квантовые вычисления сегодня основаны на состояниях материи, то есть на электронах, которые несут кубиты информации для одновременного выполнения нескольких вычислений за долю времени, необходимого для классических вычислений.

Соавтор исследования Вал Цвиллер (Val Zwiller), профессор Королевского технологического института KTH, говорит, что для бесшовной интеграции квантовых вычислений с волоконно-оптическими сетями, которые сегодня используются в Интернете, был бы более перспективным подход использовать фотоны.

«Фотонный подход предлагает естественную связь между коммуникацией и вычислениями, - говорит он. - Это важно, поскольку конечной целью является передача обработанной квантовой информации с помощью света».

Но для того, чтобы фотоны доставляли кубиты по запросу в квантовых системах, они должны излучаться детерминированным, а не случайным образом. Это может быть достигнуто при чрезвычайно низких температурах в искусственных атомах, но сегодня исследовательская группа из KTH представила способ заставить излучатель работать в оптических интегральных схемах - при комнатной температуре.

Новый метод позволяет точно разместить излучатели фотонов в интегральных оптических схемах, которые напоминают медные провода для электричества, за исключением того, что вместо этого они переносят свет, говорит соавтор исследования Али Эльшаари (Ali Elshaari), доцент Королевского технологического института KTH.

Исследователи использовали свойства однофотонной эмиссии гексагонального нитрида бора (hBN), слоистого материала. hBN - это соединение, обычно используемое в керамике, сплавах, смолах, пластмассах и каучуках для придания им самосмазывающихся свойств. Они интегрировали материал с волноводами из нитрида кремния, чтобы направлять испускаемые фотоны.

По словам Эльшаари, квантовые схемы со светом работают либо при криогенных температурах - плюс 4 Кельвина выше абсолютного нуля - с использованием атомоподобных источников одиночных фотонов, либо при комнатной температуре с использованием случайных источников одиночных фотонов. Напротив, технология, разработанная в KTH, позволяет создавать оптические схемы с излучением легких частиц по требованию при комнатной температуре.

«В существующих оптических схемах, работающих при комнатной температуре, вы никогда не узнаете, когда генерируется одиночный фотон, если не проведете предвещающее измерение, - говорит Эльшаари. - Мы реализовали детерминированный процесс, который точно позиционирует излучатели световых частиц, работающие при комнатной температуре, в интегрированной фотонной схеме».

Исследователи сообщили о соединении излучателя одиночных фотонов hBN с волноводами из нитрида кремния и разработали метод визуализации квантовых излучателей. Затем в гибридном подходе команда построила фотонные схемы относительно местоположения квантовых источников, используя серию шагов, включающих литографию электронным пучком и травление, при этом сохраняя при этом высокое качество квантового света.

Достижение открывает путь к гибридной интеграции, то есть включению атомоподобных однофотонных излучателей в фотонные платформы, которые не могут эффективно излучать свет по запросу.

Увеличенный вид встроенного чипа, излучающего фотоны

Поскольку все больше личных данных хранится и передается в цифровом формате, исследователи изучают новые способы защиты данных от атак злоумышленников. Современные кремниевые технологии используют микроскопические различия между компьютерными компонентами для создания безопасных ключей, но методы искусственного интеллекта (ИИ) могут использоваться для предсказания этих ключей и получения доступа к данным. Теперь исследователи Пенсильванского университета разработали способ усложнить взлом зашифрованных ключей.

Под руководством Саптарши Даса (Saptarshi Das), доцента инженерных наук и механики, исследователи использовали графен для разработки нового маломощного, масштабируемого, реконфигурируемого аппаратного устройства безопасности, обладающего значительной устойчивостью к атакам ИИ. Они опубликовали свои выводы в журнале Nature Electronics.

«В последнее время наблюдается все больше и больше нарушений конфиденциальности, - сказал доц. Дас. - Мы разработали новое аппаратное устройство безопасности, которое в конечном итоге может быть реализовано для защиты этих данных в различных отраслях и секторах».

По словам исследователей, устройство, называемое физически неклонируемой функцией (PUF), является первой демонстрацией PUF на основе графена. Физические и электрические свойства графена, а также процесс изготовления, делают новый PUF более энергоэффективным, масштабируемым и защищенным от атак ИИ, которые представляют угрозу для кремниевых PUF.

Команда сначала изготовила около 2000 идентичных графеновых транзисторов, которые включают и выключают ток в цепи. Несмотря на их структурное сходство, электропроводность транзисторов варьировалась из-за присущей им случайности, возникающей в процессе производства. Хотя такое изменение обычно является недостатком для электронных устройств, это желаемое качество для PUF, которое не используется в кремниевых устройствах.

После того, как графеновые транзисторы были реализованы в PUF, исследователи смоделировали их характеристики, чтобы создать симуляцию 64 миллионов PUF на основе графена. Чтобы проверить безопасность PUF, Дас и его команда использовали машинное обучение - метод, который позволяет ИИ изучать систему и находить новые закономерности. Исследователи обучили ИИ с помощью данных моделирования графенового PUF, проверяя, может ли ИИ использовать это обучение для прогнозирования зашифрованных данных и выявления уязвимостей системы.

«Нейронные сети очень хороши в разработке модели из огромного количества данных, даже если люди не могут этого сделать, - сказал Дас. - Мы обнаружили, что ИИ не может разработать модель, и невозможно изучить процесс шифрования».

Эта устойчивость к атакам машинного обучения делает PUF более безопасным, поскольку потенциальные хакеры не могут использовать взломанные данные для обратного проектирования устройства для использования в будущем, сказал Дас. Даже если ключ можно было бы предсказать, графеновый PUF мог бы сгенерировать новый ключ посредством процесса реконфигурации, не требующего дополнительного оборудования или замены компонентов.

«Обычно, если безопасность системы была скомпрометирована, она навсегда скомпрометирована, - сказал Ахил Додда (Akhil Dodda), аспирант по инженерным наукам и механике, проводящий исследования под руководством Даса. - Мы разработали схему, в которой такую скомпрометированную систему можно было бы перенастроить и использовать снова, добавив защиту от взлома в качестве еще одной функции безопасности».

Благодаря этим характеристикам, а также способности работать в широком диапазоне температур, ППУ на основе графена может использоваться во множестве приложений. Дальнейшие исследования могут открыть возможности для его использования в гибкой и пригодной для печати электронике, бытовых устройствах и многом другом.

Команда исследователей из Пенсильванского университета разработала новое аппаратное устройство безопасности, которое использует преимущества вариаций микроструктуры для генерации ключей безопасности

Компании объявили, что в настоящее время они производят кремниевые фотонные и электронные чипы, которые составляют основу системы Q1 - первой системной вехи в дорожной карте PsiQuantum по созданию коммерчески жизнеспособного квантового компьютера с одним миллионом кубитов и более. Это демонстрирует, как заявляют компании, первую в мире способность производить основные квантовые компоненты, такие как источники одиночных фотонов и детекторы одиночных фотонов, с точностью и в больших объемах, используя стандартные производственные процессы ведущей в мире полупроводниковой фабрики GlobalFoundries (GF).

Компании также установили собственное производственное оборудование на двух из 300-миллиметровых фабрик GF для производства тысяч кремниевых фотонных чипов Q1 на своем предприятии в северной части штата Нью-Йорк, а также ультрасовременных чипов электронного управления на своей Fab 1 в Дрездене, Германия.

«В прошлом году мы отметили десятилетие технологических изменений, - говорит Амир Файнтач (Amir Faintuch), старший вице-президент и генеральный менеджер подразделения вычислительной и проводной инфраструктуры GF. - Теперь, из-за цифровой трансформации и стремительного роста объемов данных, мы столкнулись с проблемами, которые требуют квантовых вычислений для дальнейшего ускорения Ренессанса вычислений. Партнерство PsiQuantum и GF представляет собой мощное сочетание опыта PsiQuantum в области фотонных квантовых вычислений и производственных возможностей GF в области кремниевой фотоники. Это изменит отрасли и технологические приложения в области климата, энергетики, здравоохранения, материаловедения и государственного управления».

Ожидается, что квантовые вычисления, по словам компаний, обеспечат выдающийся прогресс во множестве отраслей, включая фармацевтические разработки, материаловедение, возобновляемые источники энергии, смягчение последствий изменения климата, устойчивое сельское хозяйство и многое другое. Система Q1 от PsiQuantum представляет собой прорыв в кремниевой фотонике, которая, по мнению компании, является единственным способом масштабирования до 1 миллиона кубитов и более и создания, отказоустойчивого квантового компьютера общего назначения с исправлением ошибок.

Система Q1 является результатом пяти лет разработки в PsiQuantum и призвана воплотить в реальность меняющие мир преимущества квантовых вычислений, основанные на двух фундаментальных принципах: 1) полезный квантовый компьютер, способный выполнять невозможные на традиционных компьютерах вычисления, требует более миллиона физических кубитов; и 2) исследования более 50 лет и триллионы долларов, вложенных в полупроводниковую промышленность, - единственный путь к созданию коммерчески жизнеспособного квантового компьютера.

«Это большое достижение как для квантовой, так и для полупроводниковой промышленности, - говорит Пит Шадболт (Pete Shadbolt), главный стратег и соучредитель PsiQuantum, - демонстрирующее, что можно построить критически важные компоненты квантового компьютера на кремниевом чипе, используя стандартные производственные процессы ведущей в мире полупроводниковой фабрики. Когда мы впервые задумали PsiQuantum, мы знали, что масштабирование системы будет экзистенциальным вопросом. Вместе с GlobalFoundries мы утвердили производственный путь для кремниевой фотоники и уверены, что к середине этого десятилетия PsiQuantum полностью установит все производственные линии и процессы, необходимые для начала сборки окончательной машины».

Компания PsiQuantum, занимающаяся квантовыми вычислениями, и компания GlobalFoundries, занимающаяся производством полупроводников, заявляют, что достигли крупного прорыва в своем партнерстве по созданию первого в мире полномасштабного коммерческого квантового компьютера

В спинтронике магнитный момент электронов (спин) используется для передачи и управления информацией. Ультракомпактная схема двумерной спиновой логики может быть построена из двумерных материалов, которые могут передавать информацию о спине на большие расстояния, а также обеспечивать сильную спин-поляризацию зарядового тока. Эксперименты физиков из Университета Гронингена (Нидерланды) и Колумбийского университета (США) показывают, что магнитный графен может быть лучшим выбором для этих двумерных спин-логических устройств, поскольку он эффективно преобразует заряд в спиновый ток и может передавать эту сильную спин-поляризацию на большие расстояния. Это открытие было описано в журнале Nature Nanotechnology.

Спинтронные устройства являются перспективной высокоскоростной и энергосберегающей альтернативой современной электронике. Эти устройства используют магнитный момент электронов для передачи и хранения информации. Продолжающееся сокращение масштабов технологии памяти требует все более мелких устройств спинтроники и, следовательно, ищет атомарно тонкие материалы, которые могут активно генерировать большие спиновые сигналы и передавать информацию о спине на микрометровые расстояния.

Более десяти лет графен был наиболее подходящим 2D-материалом для передачи спиновой информации. Однако графен не может генерировать спиновый ток сам по себе, если его свойства не будут соответствующим образом изменены. Один из способов добиться этого - заставить его действовать как магнитный материал. Магнетизм будет способствовать прохождению одного типа спина и, таким образом, создать дисбаланс в количестве электронов со спином вверх по сравнению со спином вниз. В магнитном графене это привело бы к сильному поляризованному по спину току.

Эта идея была экспериментально подтверждена учеными группы Physics of Nanodevices во главе с проф. Бартом ван Висом (Bart van Wees) из Университета Гронингена, Института Цернике по передовым материалам. Когда они приблизили графен к двумерному слоистому антиферромагнетику CrSBr, они смогли напрямую измерить большую спиновую поляризацию тока, генерируемого магнитным графеном.

В обычных устройствах спинтроники на основе графена ферромагнитные (кобальтовые) электроды используются для ввода и детектирования спинового сигнала в графене. Напротив, в схемах, построенных из магнитного графена, инжекция, транспортировка и обнаружение спинов может осуществляться самим графеном, объясняет Талие Гиаси (Talieh Ghiasi), первый автор статьи: «Мы обнаружили исключительно большую спиновую поляризацию проводимости (14%) в магнитном графене, которая, как ожидается, будет эффективно настраиваться поперечным электрическим полем». Это, вместе с выдающимися характеристиками переноса заряда и спина графена, позволяет реализовать полностью графеновые спин-логические 2D-схемы, в которых только магнитный графен может вводить, переносить и обнаруживать информацию о спине.

Более того, неизбежное рассеивание тепла, которое происходит в любой электронной схеме, превращается в преимущество этих спинтронных устройствах. «Мы наблюдаем, что градиент температуры в магнитном графене из-за джоулева нагрева преобразуется в спиновый ток. Это происходит за счет спин-зависимого эффекта Зеебека, который также впервые наблюдается в графене в наших экспериментах», - говорит Гиаси. Эффективная электрическая и тепловая генерация спиновых токов с помощью магнитного графена обещает существенный прогресс как для 2D-спинтроники, так и для спин-калоритронных технологий.

Кроме того, спиновой транспорт в графене очень чувствителен к магнитному поведению самого внешнего слоя соседнего антиферромагнетика. Это означает, что такие измерения спинового переноса позволяют считывать намагниченность отдельного атомного слоя. Таким образом, устройства на основе магнитного графена не только решают наиболее технологически важные аспекты магнетизма в графене для 2D-памяти и сенсорных систем, но также обеспечивают дальнейшее понимание физики магнетизма.

Первый автор Талие Гиаси (справа) и Алексей Каверзин в лаборатории физики наноустройств Института перспективных материалов им. Цернике

Ученые из Института науки и технологии Тэгу Кёнбук (DGIST) в Корее разработали алгоритмы, которые более эффективно измеряют, насколько сложно злоумышленнику будет угадать секретные ключи для криптографических систем. Подход, который они использовали, может снизить вычислительную сложность, необходимую для проверки безопасности шифрования.

«Случайные числа необходимы для генерации криптографической информации, - объясняет ученый-компьютерщик из DGIST Ёнджун Ким (Yongjune Kim), соавтор исследования. Эта случайность имеет решающее значение для безопасности криптографических систем».

Криптография используется в кибербезопасности для защиты информации. Ученые часто используют метрику, называемую «минимальная энтропия», для оценки и проверки того, насколько хорошо источник генерирует случайные числа, используемые для шифрования данных. Данные с низкой энтропией легче расшифровать, тогда как данные с высокой энтропией декодировать намного сложнее. Но трудно точно оценить минимальную энтропию для некоторых типов источников, что приводит к недооценке.

Ким и его коллеги разработали автономный алгоритм, который оценивает минимальную энтропию на основе всего набора данных, и онлайн-оценщик, которому нужны только ограниченные выборки данных. Точность онлайн-оценщика повышается по мере увеличения количества выборок данных. Кроме того, онлайн-оценщику не нужно хранить полные наборы данных, поэтому его можно использовать в приложениях с жесткими ограничениями памяти, хранилища и оборудования, таких как устройства Интернета вещей.

«Оценки показали, что наши алгоритмы могут оценивать минимальную энтропию в 500 раз быстрее, чем текущий стандартный алгоритм, сохраняя при этом точность оценки», - говорит Ким.

Ким и его коллеги работают над повышением точности этого и других алгоритмов оценки энтропии в криптографии. Они также изучают, как улучшить конфиденциальность в приложениях машинного обучения.

«Случайные числа необходимы для генерации криптографической информации, - объясняет ученый-компьютерщик из DGIST Ёнджун Ким. - Эта случайность имеет решающее значение для безопасности криптографических систем».

Исследователи из Университета Осаки, Япония, и Университета Аделаиды, Австралия, работали вместе над созданием нового мультиплексора из чистого кремния для связи в терагерцовом диапазоне 300 ГГц.

«Чтобы управлять большой спектральной полосой терагерцовых волн, мультиплексор, который используется для разделения и объединения сигналов, имеет решающее значение для разделения информации на управляемые фрагменты, которые могут быть более легко обработаны и поэтому могут быстрее передаваться с одного устройства на другой, - сказал доцент Витават Витаячумнанкул (Withawat Withayachumnankul) из Школы электротехники и электроники Аделаидского университета. - До сих пор не были разработаны компактные и практичные мультиплексоры для терагерцового диапазона. Новые терагерцовые мультиплексоры, которые экономичны в производстве, будут чрезвычайно полезны для сверхширокополосной беспроводной связи. Форма чипов, которые мы разработали, является ключом к объединению и разделению каналов, чтобы можно было быстрее обрабатывать больше данных. Простота - это ее красота».

Волны терагерцового диапазона - это часть электромагнитного спектра, имеющая номинальную спектральную полосу пропускания, которая намного шире, чем у традиционной беспроводной связи, основанной на микроволнах. Команда разработала сверхкомпактные и эффективные мультиплексоры терагерцового диапазона благодаря новому процессу оптического туннелирования.

«Типичный четырехканальный оптический мультиплексор может охватывать более 2000 длин волн. Это составит около двух метров в длину в диапазоне 300 ГГц, - сказал д-р Дэниел Хедленд (Daniel Headland) из Университета Осаки, ведущий автор исследования. - Наше устройство имеет всего 25 длин волн в поперечнике, что позволяет уменьшить размер в 6000 раз».

Новый мультиплексор покрывает спектральную полосу пропускания, которая более чем в 30 раз превышает общий спектр, выделенный в Японии для 4G/LTE, самой быстрой мобильной технологии, доступной в настоящее время, и 5G, следующего поколения, вместе взятых. Поскольку полоса пропускания связана со скоростью передачи данных, с новым мультиплексором возможна сверхвысокоскоростная цифровая передача.

«Наш четырехканальный мультиплексор потенциально может поддерживать совокупную скорость передачи данных 48 Гбит/с, что эквивалентно скорости передачи несжатого видео сверхвысокой четкости 8K в режиме реального времени, - сказал доц. Масаюки Фудзита (Masayuki Fujita), руководитель группы из Университета Осаки. - Чтобы сделать всю систему портативной, мы планируем интегрировать этот мультиплексор с резонансно-туннельными диодами, чтобы получить компактные многоканальные приемопередатчики терагерцового диапазона».

Схема модуляции, использованная в исследовании группы, была довольно простой. Мощность терагерцового диапазона просто включалась и выключалась для передачи двоичных данных. Доступны более продвинутые методы, которые могут сжимать даже более высокие скорости передачи данных до 1 Тб/с при заданном выделении полосы пропускания.

«Новый мультиплексор может производиться серийно, как и компьютерные микросхемы, но намного проще. Таким образом, возможно широкомасштабное проникновение на рынок», - отметил проф. Тадао Нагацума (Tadao Nagatsuma) из Университета Осаки. - Это позволит использовать приложения в 6G и выше, а также Интернет вещей и связь с низкой вероятностью перехвата между компактными самолетами, такими как автономные дроны».

Новая конструкция сверхмалого кремниевого чипа, называемого мультиплексором, будет эффективно управлять терагерцовыми волнами, которые являются ключевыми для следующего поколения коммуникаций: 6G и выше

В квантовом мире электроны могут группироваться и вести себя интересным образом. Магнетизм - одно из таких поведений, которые мы наблюдаем в повседневной жизни, как и более редкое явление сверхпроводимости. Любопытно, что эти два состояния часто являются антагонистами, а это означает, что существование одного из них часто разрушает другое. Однако, если эти два противоположных квантовых состояния вынуждены искусственно сосуществовать, появляется неуловимое состояние, называемое топологическим сверхпроводником, что очень волнует исследователей, пытающихся создать топологические кубиты.

Топологические кубиты интересны как одна из потенциальных технологий для квантовых компьютеров будущего. В частности, топологические кубиты обеспечивают основу для топологических квантовых вычислений, которые привлекательны тем, что они гораздо менее чувствительны к помехам из окружающей среды, вызывающим возмущение измерений. Однако проектирование и управление топологическими кубитами остается критически открытой проблемой, в конечном итоге из-за трудности поиска материалов, способных поддерживать состояния, такие как топологические сверхпроводники.

Чтобы преодолеть неуловимость топологических сверхпроводников, которые чрезвычайно трудно найти в природных материалах, физики разработали методики для создания этих состояний путем комбинирования обычных материалов. Основные ингредиенты для создания топологических сверхпроводников - магнетизм и сверхпроводимость - часто требуют сочетания совершенно разных материалов. Более того, создание топологического сверхпроводящего материала требует возможности тонкой настройки магнетизма и сверхпроводимости, поэтому исследователи должны доказать, что их материал может быть как магнитным, так и сверхпроводящим одновременно, и что они могут контролировать оба свойства. В поисках такого материала исследователи обратились к графену.

Графен считается одним из важнейших материалов для квантовых технологий. Однако сосуществование магнетизма и сверхпроводимости в графене остается неуловимым, несмотря на давние экспериментальные усилия, которые продемонстрировали существование этих двух состояний независимо. Это фундаментальное ограничение представляет собой серьезное препятствие на пути развития искусственной топологической сверхпроводимости в графене.

В недавнем революционном эксперименте исследователи из UAM в Испании, CNRS во Франции и INL в Португалии вместе с теоретической поддержкой профессора Хосе Ладо (Jose Lado) из Университета Аалто продемонстрировали первый шаг на пути к топологическим кубитам в графене. Исследователи показали, что отдельные слои графена могут одновременно обладать магнетизмом и сверхпроводимостью, измеряя квантовые возбуждения, уникальные для этого взаимодействия. Это революционное открытие было достигнуто путем объединения магнетизма кристаллических доменов в графене и сверхпроводимости осажденных металлических островков.

«Этот эксперимент показывает, что два ключевых парадигматических квантовых порядка, сверхпроводимость и магнетизм, могут одновременно сосуществовать в графене, - сказал профессор Хосе Ладо. - В конечном итоге этот эксперимент демонстрирует, что графен может одновременно содержать необходимые ингредиенты для топологической сверхпроводимости. Хотя в текущем эксперименте мы еще не наблюдали топологическую сверхпроводимость, опираясь на этот эксперимент, мы потенциально можем открыть новый путь к топологическим кубитам на основе углерода».

Исследователи индуцировали сверхпроводимость в графене, разместив островок обычного сверхпроводника близко к границам зерен, естественным образом образуя в графене швы, которые имеют несколько отличные от остального материала магнитные свойства. Было продемонстрировано, что сверхпроводимость и магнетизм границ зерен приводят к возникновению состояний Ю-Шиба—Русинова (Yu-Shiba-Rusinov), которые могут присутствовать в материале только при сосуществовании магнетизма и сверхпроводимости. Явления, которые команда наблюдала в эксперименте, совпадают с теоретической моделью, разработанной профессором Ладо, показывая, что исследователи могут полностью контролировать квантовые явления в созданной ими гибридной системе.

Демонстрация состояний Ю-Шиба—Русинова в графене - первый шаг к окончательному развитию топологических кубитов на основе графена. В частности, путем тщательного управления состояниями Ю-Шиба-Русинова могут быть созданы топологическая сверхпроводимость и состояния Майорана. Топологические кубиты, основанные на майорановских состояниях, потенциально могут радикально преодолеть ограничения существующих кубитов, защищая квантовую информацию, используя природу этих нетрадиционных состояний. Возникновение этих состояний требует тщательного контроля параметров системы. Текущий эксперимент устанавливает критическую отправную точку для достижения этой цели, которая, как мы надеемся, откроет прорывной путь к топологическим квантовым компьютерам на основе углерода.

Схематическая иллюстрация взаимодействия магнетизма и сверхпроводимости на границе зерна графена, потенциальном строительном блоке для топологических кубитов на основе углерода

Если базовая станция в локальной сети пытается использовать направленный луч для передачи сигнала пользователю, пытающемуся подключиться к сети - вместо использования широковещательной передачи глобальной сети, как это обычно делают базовые станции - как она узнает, куда направить луч?

В 2020 г. исследователи из Университета Райса и Университета Брауна разработали метод обнаружения каналов с использованием терагерцового излучения с высокочастотными волнами выше 100 ГГц. Для этой работы они отложили вопрос о том, что произойдет, если стена или другой отражатель поблизости препятствует прямой видимости (NLOS) от базовой станции до приемника, и сосредоточились на более простой ситуации, когда единственный существующий путь находился на прямой видимости (LOS).

В APL Photonics от AIP Publishing те же исследователи обращаются к этому вопросу, рассматривая два разных общих типа передатчиков и исследуя, как их характеристики могут быть использованы для определения того, влияет ли путь NLOS на сигнал, принимаемый приемником.

«Один тип передатчика передает все частоты более или менее в одном и том же направлении, - сказал Дэниел Миттлман (Daniel Mittleman), соавтор и профессор инженерии из Брауна, - в то время как другой тип передает разные частоты в разных направлениях, демонстрируя сильную угловую дисперсию. Ситуация совершенно отличается в этих двух разных случаях».

Работа исследователей показывает, что передатчик, отправляющий разные частоты в разных направлениях, имеет явные преимущества в своей способности обнаруживать пути NLOS и отличать их от пути LOS.

По словам Миттлмана, хорошо спроектированный приемник сможет обнаруживать обе частоты и использовать их свойства, чтобы распознавать два пути и различать их.

«Чтобы терагерцовые сигналы использовались для беспроводной связи, необходимо преодолеть множество проблем, и одна из самых больших - это обнаружение и использование путей NLOS», - отметил Миттлман.

Эта работа является одной из первых, в которых дается количественное рассмотрение того, как обнаруживать и использовать пути NLOS, а также сравнивается поведение различных передатчиков в этом контексте.

«Для наиболее реалистичных сценариев использования внутри помещений, которые мы можем представить для беспроводной сети с частотой выше 100 ГГц, вопрос о пути NLOS определенно потребует тщательного рассмотрения, - сказал Миттлман. - Нам нужно знать, как использовать эти возможности для поддержания связи».

Если, например, путь LOS чем-то заблокирован, можно использовать путь NLOS для поддержания связи между базовой станцией и приемником.

«Интересно, что с передатчиком, создающим сильную угловую дисперсию, иногда канал NLOS может обеспечить даже более быстрое соединение, чем канал LOS, - сказал Ясаман Гасемпур (Yasaman Ghasempour), соавтор и доцент Университета Райса. - Но вы не можете воспользоваться такими возможностями, если не знаете, существует ли путь NLOS или как его найти».

Изображение передатчика (слева), посылающего сигнал с сильной угловой дисперсией. Каждая частота представлена разным цветом и выходит в разном направлении, создавая структуру, подобную радуге. Две частоты поступают в приемник (справа), одна представлена желтым (путь прямой видимости), а другая - синим (путь без прямой видимости, включающий отражение от поверхности)

Чтение мыслей давно отнесено к сфере научной фантастики. Но с помощью электродов исследователи могут обнаруживать и отслеживать неврологические сигналы, чтобы получить представление об активности мозга.

Одно из самых интересных приложений этой технологии - интерфейс мозг-компьютер (BCI). BCI, которые нацелены на оцифровку образов мышления, таких как намерение двигаться, могут помочь людям с потерей двигательной функции, включая пациентов с тяжелыми неврологическими заболеваниями или травмами спинного мозга. Применение BCI для управления вспомогательными технологиями могло бы восстановить когнитивно-сенсорную функцию даже для тех, кто остался «взаперти», предоставляя им возможность общаться и взаимодействовать с окружающим миром.

Одним из основных препятствий к использованию BCI за пределами лаборатории является громоздкая система проводов, необходимая для передачи большого количества данных, собранных из мозга, в компьютер.

BrainGate является междисциплинарной исследовательской группой, в которую входят Университет Брауна, Массачусетская больница общего профиля, Стэнфордский университет, Университет Кейс Вестерн Резерв и Медицинский центр Провиденс, штат Вирджиния. Сосредоточившись на практических приложениях и надежности, команда стремится разработать вспомогательную технологию BCI для восстановления независимости и общения у людей с нарушенными двигательными способностями.

Последняя работа команды, опубликованная в IEEE Transactions on Biomedical Engineering, подробно описывает клинические испытания нового беспроводного BCI, называемого Brown Wireless Device (BWD). Двое участников исследования в возрасте 63 и 35 лет страдают тетраплегией (параличом всех четырех конечностей), вызванной травмами спинного мозга.

BWD подключается к двум 96-канальным массивам кремниевых микроэлектродов через те же порты, которые используются для исследований с проводными системами BCI. Электроды, имплантированные интракортикально, обнаруживают нервную активность в части лобной доли - в частности, в области мозга, ответственной за моторный контроль. Затем сигнал усиливается и фильтруется, чтобы определить, когда пациент думает о движении конечности, что может быть использовано для запуска действия. В этом испытании участники перемещали курсор на планшетном компьютере, чтобы набирать текст и перемещаться по приложениям.

Предыдущие беспроводные интерфейсы BCI не могли сравниться по точности с их проводными аналогами - ограничение, которое преодолевается протоколом передачи с высокой пропускной способностью BrainGate. Пациенты достигли сравнимой точности «наведи и щелкни» и скорости набора текста с помощью BWD, как и при использовании проводного BCI.

За счет минимизации энергопотребления аккумулятор BWD работает до 36 часов, что позволяет непрерывно записывать мозговую активность участника в его собственном доме в течение 24 часов.

«С помощью этой системы мы можем наблюдать за мозговой активностью дома в течение длительного периода времени, что раньше было почти невозможно. Это поможет нам разработать алгоритмы декодирования, обеспечивающие плавное, интуитивно понятное и надежное восстановление связи и мобильности для людей с параличом», - говорит Ли Хохберг (Leigh Hochberg), руководитель клинического исследования BrainGate, в недавнем пресс-релизе.

Исследователи разработали полностью имплантируемую версию BWD и проверили ее на приматах. В настоящее время они готовят устройство для утверждения регулирующими органами перед клиническими испытаниями на людях.

Пациент в исследовании BrainGate с устройством Brown Wireless Device, используемом для отправки данных от внутрикортикальных датчиков во внешнюю систему декодирования

Инженеры Университета Дьюка разработали первую в мире печатную электронику, полностью пригодную для вторичной переработки. Демонстрируя важнейший и относительно сложный компонент компьютера - транзистор, созданный с помощью трех чернил на углеродной основе, исследователи надеются вдохновить новое поколение перерабатываемой электроники на помощь в борьбе с растущей глобальной эпидемией электронных отходов.

«Компьютерные компоненты на основе кремния, вероятно, никогда не исчезнут, и мы не ожидаем, что легко перерабатываемая электроника, такая как наша, заменит технологии и устройства, которые уже широко используются, - сказал Аарон Франклин (Aaron Franklin), профессор электротехники и компьютерной инженерии в Duke. - Но мы надеемся, что благодаря созданию новой, полностью перерабатываемой, легко печатаемой электроники и демонстрации того, на что она способна, позволит ей широко использоваться в будущих приложениях».

По мере того как люди во всем мире внедряют в свою жизнь все больше электроники, постоянно растет куча выброшенных устройств, которые либо больше не работают, либо были выброшены в пользу более новой модели. По оценкам ООН, перерабатывается менее четверти миллиона фунтов электроники, выбрасываемой каждый год. И проблема будет только усугубляться, поскольку мир переходит на устройства 5G, а IoT продолжает расширяться.

Отчасти проблема заключается в том, что электронные устройства трудно утилизировать. На крупных предприятиях работают сотни рабочих, которые взламывают громоздкие устройства. Но в то время как отходы меди, алюминия и стали можно переработать, кремниевые чипы, лежащие в основе устройств, нельзя.

В новом исследовании Франклин и его лаборатория демонстрируют полностью перерабатываемый, полностью функциональный транзистор, сделанный из трех чернил на углеродной основе, которые можно легко напечатать на бумаге или другой гибкой, экологически чистой поверхности. Углеродные нанотрубки и графеновые чернила используются для полупроводников и проводников соответственно. По словам Франклина, хотя эти материалы не являются новинкой в мире печатной электроники, путь к вторичной переработке был открыт с разработкой изоляционных диэлектрических чернил на основе древесины, называемых наноцеллюлозой.

«Наноцеллюлоза является биоразлагаемой и уже много лет используется в таких областях, как упаковка, - сказал Франклин. - И хотя люди уже давно знают о его потенциальном применении в качестве изолятора в электронике, никто раньше не придумал, как использовать ее в чернилах для печати. Это один из ключей к обеспечению функциональности этих полностью перерабатываемых устройств».

Исследователи разработали метод получения суспензии кристаллов наноцеллюлозы, извлеченных из древесных волокон, который при добавлении небольшого количества поваренной соли дает чернила, превосходно действующие как изолятор в их печатных транзисторах. Используя три краски в аэрозольном струйном принтере при комнатной температуре, команда показывает, что их полностью углеродные транзисторы работают достаточно хорошо для применения в самых разных областях, даже через шесть месяцев после первой печати.

Затем команда продемонстрировала, насколько пригодна для вторичной переработки их конструкция. Погружая свои устройства в ряд ванн, осторожно вибрируя их звуковыми волнами и центрифугируя полученный раствор, углеродные нанотрубки и графен последовательно восстанавливаются со средним выходом почти 100%. Оба материала могут быть повторно использованы в одном и том же процессе печати, при этом практически не теряя своей жизнеспособности. А поскольку наноцеллюлоза сделана из дерева, ее можно просто переработать вместе с бумагой, на которой она была напечатана.

По сравнению с резистором или конденсатором транзистор представляет собой относительно сложный компьютерный компонент, используемый в таких устройствах, как управление мощностью или логические схемы и различные датчики. Франклин объясняет, что, сначала продемонстрировав полностью перерабатываемый многофункциональный печатный транзистор, он надеется сделать первый шаг к коммерческой технологии, применяемой для простых устройств.

«Подобная перерабатываемая электроника никоим образом не заменит собой целую отрасль с оборотом в полтриллиона долларов, и мы, конечно, далеки от того, чтобы печатать перерабатываемые компьютерные процессоры, - сказал Франклин. - Но демонстрация этих типов новых материалов и их функциональности, мы надеемся, станет ступенькой в правильном направлении для нового типа жизненного цикла электроники».

3D-рендеринг первого полностью перерабатываемого печатного транзистора