Как мы можем защитить коммуникации от «подслушивания», если мы не доверяем устройствам, используемым в этом процессе? Это один из основных вопросов в исследовании квантовой криптографии. Теперь ученым удалось заложить теоретические основы протокола связи, который гарантирует стопроцентную конфиденциальность.

Хакеры, владеющие квантовыми компьютерами, представляют серьезную угрозу для современных криптосистем. Поэтому исследователи работают над новыми методами шифрования, основанными на принципах квантовой механики. Однако современные протоколы шифрования предполагают, что устройства связи являются известными, заслуживающими доверия объектами. Но что, если это не так, и устройства оставляют заднюю дверь открытой для атак подслушивающих?

Команда физиков во главе с профессором Николя Сангуардом (Nicolas Sangouard) из Университета Базеля и профессором Ренато Реннером (Renato Renner) из ETH Цюриха разработали теоретические основы для протокола связи, который обеспечивает максимальную защиту конфиденциальности и может быть реализован экспериментально. Этот протокол гарантирует безопасность не только от хакеров с квантовыми компьютерами, но также и в случаях, когда устройства, используемые для связи, являются «черными ящиками», о надежности которых совершенно неизвестно. Они опубликовали свои результаты в журнале Physical Review Letters и подали заявку на патент.

Хотя уже есть некоторые теоретические предложения для протоколов связи с черными ящиками, было одно препятствие для их экспериментальной реализации: используемые устройства должны были быть очень эффективными при обнаружении информации о криптографическом ключе. Если слишком много информационных единиц (в виде запутанных пар легких частиц) осталось не определенными, было бы невозможно узнать, были ли они перехвачены третьей стороной.

Новый протокол преодолевает это препятствие с помощью хитрости - исследователи добавляют искусственный шум к фактической информации о ключе шифрования. Даже если многие информационные блоки не обнаружены, «перехватчик» получает настолько мало реальной информации о криптоключе, что безопасность протокола остается гарантированной. Таким образом, исследователи снизили требования к эффективности обнаружения устройств.

«Поскольку появились первые небольшие квантовые компьютеры, нам срочно нужны новые решения для защиты конфиденциальности, - говорит профессор Сангуард. - Наша работа представляет собой важный шаг на пути к следующему этапу в безопасных коммуникациях».

Конфигурация протокола безопасности: одно устройство (центр) создает ключ шифрования в виде запутанных пар легких частиц, которые затем передаются на два устройства связи (Алиса и Боб). Кодирование информации в парах частиц обеспечивает безопасность, поскольку нет третьей частицы, которая может быть перехвачена «подслушивающим устройством»

Тенденция к миниатюризации привела к тому, что сегодня кремниевые чипы имеют почти невообразимо маленькие схемы. Транзисторы, на которых строятся компьютерные микропроцессоры, настолько малы, что 1000 штук, уложенных друг за другом, не шире человеческого волоса. Но сегодня мы приближаемся к пределу того, насколько малыми транзисторы могут получаться.

В ожидании созревания новых компьютерных технологий, таких как квантовые компьютеры, углеродные нанотрубки или фотоника, для достижения производительности понадобятся другие подходы, когда закон Мура перестает работать. В недавней статье, опубликованной в журнале Science, команда CSAIL обозначила три ключевые области для определения приоритетов, чтобы продолжать обеспечивать ускорение вычислений: лучшее ПО, новые алгоритмы и более оптимизированное оборудование.

В статье, опубликованной в Science, проф. Лайзерсон (Leiserson) с соавторами дают рекомендации по трем областям вычислений: программному обеспечению, алгоритмам и аппаратной архитектуре.

Что касается ПО, то они говорят, что предыдущая ориентация программистов на продуктивность по сравнению с производительностью привела к появлению проблемных стратегий, таких как «сокращение»: использование кода, который работал над проблемой A, для решения проблемы B. Например, если кто-то должен создать систему распознавания голосовых команд «да» или «нет», но не хочет кодировать целую новую пользовательскую программу, они могут взять существующую программу, которая распознает широкий диапазон слов, и настроить ее так, чтобы она отвечала только на ответы «да» или «нет».

Несмотря на то, что этот подход сокращает время кодирования, его неэффективность быстро возрастает: если одно сокращение на 80% эффективнее, чем новое решение, а затем вы добавляете двадцать уровней сокращения, код в конечном итоге будет в 100 раз менее эффективным, чем он мог бы быть.

Вместо этого исследователи рекомендуют такие методы, как распараллеливание кода. Большая часть существующего программного обеспечения была разработана с использованием устаревших предположений, что процессоры могут выполнять только одну операцию за раз. Но в последние годы многоядерные технологии позволили выполнять сложные задачи в тысячи раз быстрее и с гораздо большей энергоэффективностью.

В отношении алгоритмов команда предлагает трехэтапный подход, который включает в себя исследование новых проблемных областей, решение проблем, связанных с масштабированием алгоритмов, и адаптацию их для лучшего использования преимуществ современного оборудования.

С точки зрения аппаратной архитектуры, команда рекомендует оптимизировать аппаратное обеспечение, чтобы проблемы могли быть решены с меньшим количеством транзисторов и меньшим количеством кремния. Оптимизация включает в себя использование более простых процессоров и создание аппаратного обеспечения, адаптированного к конкретным приложениям, например графический процессор (GPU), специально предназначенный для компьютерной графики.

«Оборудование, настроенное для конкретных доменов, может быть намного более эффективным и использовать гораздо меньше транзисторов, что позволяет приложениям работать в десятки и сотни раз быстрее», - говорит ученый-исследователь Тао Шардль (Tao Schardl).

Хотя эти подходы могут быть лучшим путем вперед, исследователи говорят, что он не всегда будет легким. Организации, использующие такие методы, могут не почувствовать преимущества своих усилий, пока не потратят много времени на разработку. Кроме того, ускорения не будут такими согласованными, как в случае с законом Мура: сначала они могут быть существенными, а затем потребовать больших усилий для небольших улучшений.

Производительность SPECint (в основном, последовательная), производительность SPECint (параллельная) и масштабирование тактовой частоты для микропроцессоров с 1985 по 2015 год, нормализованная для микропроцессора Intel 80386 DX в 1985 году

Стандартная полупроводниковая технология достигает своего предела в миниатюризации, но спрос на все меньшие электрические устройства с более высокой производительностью продолжает расти. Исследовательская группа представила самую широкую графеновую наноленту, изготовленную по принципу «снизу вверх», с электрическими свойствами, превосходящими свойства кремниевых полупроводников, обещая новое поколение миниатюрных электронных устройств.

Благодаря толщине буквально один атом углерода и электрическим свойствам, которые могут превосходить характеристики стандартных полупроводниковых технологий, наноленты графена обещают новое поколение миниатюрных электронных устройств. Теория, однако, остается далеко впереди реальности, поскольку современные наноленты графена отстают от своего потенциала. Новое совместное исследование, проведенное в области коммуникационных материалов в рамках проекта CREST, JST Japan, включающего Институт науки и технологий Нара (NAIST), Fujitsu Laboratories Ltd. и Fujitsu Ltd., а также Токийский университет, сообщает о первой в мире графеновой ленте шириной 17 атомов углерода и подтверждает, что она имеет наименьшую ширину запрещенной зоны, наблюдаемую на сегодняшний день среди известных графеновых нанолент, приготовленных восходящим способом.

Сегодня большие интегральные схемы (БИС) применяются в широком спектре электронных устройств, от компьютеров до смартфонов. Тем не менее, хотя БИС улучшили производительность за счет уменьшения размера устройств, их миниатюризация приближается к своему пределу.

Для решения этих проблем определенно необходимы другие методы и/или материалы, говорит руководитель группы д-р Синтаро Сато (Shintaro Sato) из Fujitsu Ltd.:«Кремниевые полупроводники дают нам лучшую производительность при меньших размерах. Однако мы достигаем предела в том, насколько малыми мы можем изготовить устройства. Таким образом, мы возлагаем большие надежды на производительность графеновых нанолент, имеющих полупроводниковые свойства и толщину всего один атомный слой. По сути это двумерный материал».

Графеновые наноленты, которые являются перспективным типом нанолент для применения в устройствах, демонстрируют зависимую от ширины запрещенную зону. Их можно разделить на три подсемейства (3p, 3p + 1, 3p + 2), причем их запрещенные зоны обратно пропорциональны ширине этих семейств. По существу, более широкие графеновые наноленты, принадлежащие к подсемейству 3p + 2, обладают наименьшими запрещенными зонами среди различных графеновых нанолент, имеющих значительный потенциал для использования в устройствах на основе генетики, нанотехнологии и робототехники (GNR).

До настоящего времени сообщалось о 13-элементных графеновых нанолентах, принадлежащих к подсемейству 3p + 1 с шириной запрещенной зоны более 1 эВ, но д-р Сато и коллеги продемонстрировали синтез 17-углеродной графеновой наноленты, принадлежащей к подсемейству 3p + 2, которые имеют еще меньшие запрещенные зоны. Синтез графеновых нанолент основывался на восходящем подходе, называемом «поверхностным синтезом», а молекула на основе дибромбензола использовалась в качестве предшественника для поверхностного синтеза графеновых нанолент.

Было обнаружено, что экспериментально полученная запрещенная зона 17-элементных графеновых нанолент составляет 0,6 эВ, и это является первой демонстрацией синтеза графеновых нанолент, имеющих запрещенную зону менее 1 эВ. «Мы ожидаем, что эти 17-углеродные графеновые наноленты проложат путь для новых электронных устройств на основе GNR», - говорит д-р Сато.

(а) Восходящая схема синтеза 17-углеродной графеновой наноленты на Au (111), (b) изображение высокого разрешения и (c) изображение 17- углеродной графеновой наноленты, полученные с помощью сканирующего туннельного микроскопа

После нескольких лет исследований и стандартизации Fraunhofer HHI (вместе с партнерами из отрасли, включая Apple, Ericsson, Intel, Huawei, Microsoft, Qualcomm и Sony) отмечает выпуск и официальное принятие нового глобального стандарта кодирования видео H.266/Versatile Video Coding (VVC).

Новый стандарт универсального кодирования видео предлагает улучшенное сжатие, которое снижает требования к скорости передачи битов примерно на 50% по сравнению с предыдущим стандартом H.265/High Efficiency Video Coding (HEVC) без ущерба для качества изображения. Другими словами, H.266/VVC предлагает более быструю передачу видео для одинакового качества восприятия. В целом, H.266/VVC обеспечивает эффективную передачу и хранение всех разрешений видео от SD до HD вплоть до 4K и 8K, поддерживая видео с высоким динамическим диапазоном и всенаправленное видео 360 °.

Сегодня сжатые видеоданные составляют 80% мирового интернет-трафика. H.266/VVC представляет собой вершину (как минимум) четырех поколений международных стандартов для кодирования видео. Предыдущие стандарты H.264/Advanced Video Coding (AVC) и H.265/HEVC, которые были разработаны при существенном вкладе Fraunhofer HHI, остаются активными в более чем 10 миллиардах конечных устройств, обрабатывая более 90% общего глобального объема видеобитов. Оба предыдущих стандарта были также отмечены тремя наградами Emmy Engineering Awards за значительный вклад в развитие телевизионных технологий.

Благодаря снижению требований к данным H.266/VVC делает передачу видео в мобильных сетях (где емкость данных ограничена) более эффективной. Например, предыдущий стандарт H.265/HEVC требует около 10 гигабайт данных для передачи 90-минутного видео UHD. Благодаря этой новой технологии для достижения одинакового качества требуется всего 5 гигабайт данных. Поскольку H.266/VVC был разработан с учетом видеоконтента сверхвысокого разрешения, новый стандарт особенно полезен при потоковой передаче видео 4K или 8K на телевизоре с плоским экраном. Кроме того, H.266/VVC идеально подходит для всех типов движущихся изображений: от 360-градусных панорамных изображений с высоким разрешением до совместного использования экрана.

«Посвятив почти три года этому стандарту, мы гордимся тем, что сыграли важную роль в разработке H.266/VVC, - говорит Бенджамин Бросс (Benjamin Bross), руководитель группы систем кодирования видео в Fraunhofer HHI и редактор спецификации стандарта объемом более 500 стр. - Из-за квантового скачка в эффективности кодирования, предлагаемого H.266/VVC, использование видео будет расширяться во всем мире. Кроме того, повышенная универсальность H.266/VVC делает его использование более привлекательным для более широкого спектра приложений, связанных с передачей и хранением видео».

«Если учесть, что Fraunhofer HHI уже играл ключевую роль в разработке предыдущих стандартов кодирования видео H.264/AVC и H.265/HEVC, то мы довольны тем, что более 50% битов в Интернете генерируется с помощью технологии Fraunhofer HHI», - добавляет доктор Детлев Марпе (Detlev Marpe), руководитель отдела кодирования и анализа видео в Fraunhofer HHI.

Планируется создание единой и прозрачной модели лицензирования, основанной на принципе FRAND (Fair, Reasonable, and Non-Dscriminatory), то есть справедливой, разумной и недискриминационной), для использования основных патентов стандарта, связанных с H.266/VVC. Для этого был создан Форум индустрии медийного кодирования (Media Coding Industry Forum, MC-IF). В дополнение к Обществу Фраунгофера MC-IF теперь включает более 30 компаний и организаций. Новые чипы, необходимые для использования в H.266/VVC, такие как в мобильных устройствах, в настоящее время разрабатываются. Доктор Томас Ширл (Thomas Schierl), руководитель отдела кодирования и анализа видео в Fraunhofer HHI, объявил, что «этой осенью Fraunhofer HHI опубликует первое программное обеспечение (как для кодера, так и для декодера), поддерживающее H.266 / VVC».

Исследователи из Университета Содружества Вирджинии (VCU) и Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе сделали важный шаг вперед, который может привести к повышению энергоэффективности компонентов магнитной памяти для компьютеров и других устройств.

Магниты широко используются для памяти компьютера, потому что их полярность «вверх» или «вниз» - магнитное состояние - можно «перевернуть» для записи или кодирования данных и хранения информации. Магнитная память энергонезависима, поэтому информация может храниться на устройствах без обновления. Однако магнитная память также требует много энергии.

Магнитное состояние, называемое скирмионом, которое ориентировано не «вверх» и не «вниз», а в форме прецессирующего магнитного момента, предлагает решение. Управление состоянием скирмиона позволяет гораздо более эффективно и надежно хранить данные для обычных компьютеров и беспроводных интеллектуальных устройств.

«Наш вывод демонстрирует возможность управления состояниями скирмионов с помощью электрических полей, что в конечном итоге может привести к созданию более компактных, энергоэффективных наномагнитных устройств», - сказал д-р Дритиман Бхаттачарья (Dhritiman Bhattacharya), ведущий автор статьи «Creation and annihilation of non-volatile fixed magnetic skyrmions using voltage control of magnetic anisotropy» («Создание и уничтожение энергонезависимых фиксированных магнитных скирмионов с использованием контроля напряжения магнитной анизотропии»). Статья опубликована 29 июня в журнале Nature Electronics.

«Открытие, изложенное в статье, является ступенькой к окончательному развитию коммерчески жизнеспособной магнитной памяти на основе этой парадигмы», - отметил проф. Джаясимха Атуласимха (Jayasimha Atulasimha).

В 2016 и 2018 годах исследователи из VCU показали, что использование промежуточного состояния скирмиона для обеспечения точных магнитных переходов между состоянием «вверх» и «вниз» может уменьшить ошибки при записи информации в память, делая устройства более устойчивыми к дефектам материала и тепловым шумам. Они имеют патент на эту идею. Новый эксперимент с проверкой концепции, представленный в Nature Electronics, является первым шагом к созданию такого устройства.

Скирмионы на изготовленном устройстве, видимые с помощью магнитно-силового микроскопа

Винтон Дж. Серф - вице-президент и главный интернет-евангелист Google. Широко известный как один из «отцов Интернета», г-н Серф является одним из разработчиков протоколов TCP/IP и архитектуры Интернета. В материале, опубликованном в ZDNet от 1 июля, г-н Серф делится своими взглядами на будущее Интернета, важность доверия и сопереживания, а также о влиянии новых технологий, таких как IoT, на будущее коммуникаций.

1. Пандемия COVID-19 выявила необходимость расширения доступа к Интернету. Сегодня только 50% населения мира имеет доступ к Интернету - веху, отмечаемую ООН в конце 2019 года. По словам Серфа, пандемия подчеркнула, что нам нужен лучший доступ к Интернету повсюду. В некоторых местах по всему миру школьные автобусы используются для обеспечения беспроводного доступа к Интернету для студентов. Библиотеки также предоставляют «горячие точки» для широкополосного доступа. Признание того, что нам необходимо обеспечить доступ к Интернету, было подчеркнуто пандемией.

2. Дублирование личного опыта в классе в чисто цифровой формат не может быть оптимальным подходом. Цифровой формат может снизить потребность в поездках, что приведет к увеличению посещаемости. Модель распределенного цифрового образования приведет к созданию структуры и операционной системы высшего образования, которые будут открыты (как Android), а не закрыты (как iOS). Это означает, что студенты будут иметь возможность посещать курсы в нескольких учебных заведениях и получить аккредитацию на основе взаимосогласованной мультиуниверситетской экосистемы.

3. Будущее образования – это гибридная модель, личная и виртуальная. Занятия в классе могут быть ограничены парой дней в неделю, во время и после пандемии, а в остальное время процесс обучения является цифровым. Сочетание как занятий в классе, так и виртуального сотрудничества и преподавания является сегодня областью исследований.

4. Мы одни, но вместе. Дети, использующие мобильный телефон и текстовые сообщения, освоили другую модель социального поведения. Они узнали, что можно не отвечать на текст. Если ты не знаешь, что сказать, не говори вообще ничего. Это означает, что дети не могут справиться с немедленной необходимостью реагировать, что они не пользуются телефоном или не встречаются лично. Сегодня существует контроль над тем, кого можно увидеть или услышать. Социологи и психологи должны исследовать и лучше понимать, как технологии влияют на социальную среду, в которой мы живем.

5. Возможность немедленного подключения снижает нашу способность планировать и подготавливать. Искусство планирования и подготовки часто упускается из виду при современном мышлении и способности мгновенно соединяться и сотрудничать.

6. В ближайшее время вырваться из Интернета может быть невозможно. Серф рассказал о том, как Илон Маск и SpaceX распределяют 200 спутников в космосе (проект Starlink) для масштабного высокоскоростного подключения к Интернету по всему миру. Starlink, нацеленный на обслуживание в северной части США и Канаде в 2020 году, быстро расширится до почти глобального охвата населенного мира к 2021 году. Серф сказал, что воздействие будет поразительным, когда у каждого квадратного дюйма планеты будет доступ к Интернету.

7. Плохо разработанное программное обеспечение может негативно повлиять на наше общество. Серф напомнил нам, что Интернет вещей (IoT) уже автоматизирован и автономен. В автономном режиме принятия решений уже работают миллиарды подключенных устройств, которые принимают решения на основе программных алгоритмов. Плохо созданное программное обеспечение может нанести вред, даже при простой логики, которая сегодня используется вне машинного обучения и продвинутой логики ИИ.

8. Сочувствие в нецифровом мире означает создание опыта, когда люди могут войти в положение других людей. Преодоление разрыва в понимании, разнообразии мыслей и сочувствии требует доверия, взаимного уважения и смирения. Серф говорил о виртуальных обедах и ужинах в Интернете и о преимуществах простого любопытства и интереса к изучению других.

9. Лучшие решения достигаются путем уважения, активного слушания и гендерного разнообразия. Серф говорил о том, что уважение к намерениям людей ведет к здоровому сотрудничеству. Успешное сотрудничество может быть очень активным, но никогда не личным, сказал Серф. Общая миссия и доверие являются ключевыми факторами успеха для здорового сотрудничества.

10. Изменение системы вознаграждений может минимизировать поляризацию и крайние точки зрения в социальных сетях. Серф считает, что система вознаграждений в социальных сетях приводит к поляризации и экстремальному поведению, которое привлекает внимание. На данный момент самый быстрый способ привлечь внимание - поделиться экстремальными точками зрения и контентом. Серф не предоставил решения, но предположил, что это область, которая требует исследований и лучшего понимания.

11. Мы должны научиться терпеть различия и улучшать наше критическое мышление. Серф говорил о «страхе перед другим» и о том вреде, который он нанес обществу. Терпимость к разногласиям и различиям является ключом к здоровым отношениям. Критическое мышление, а не цинизм, является ключом к лучшему пониманию и защите от дезинформации. Серф напомнил нам, что дезинформация в лучшем пакете, как правило, содержит некоторый уровень правды, который вы узнаете, что заставляет вас поверить в дезинформационную часть пакета.

12. Чтобы эффективно учить и совместно создавать ценности, мы должны сначала узнать о других. Нам нужно применять подход «снизу вверх» и проявлять больше смирения, поскольку мы добровольно проводим время для улучшения общества. Менталитет должен сместиться с «Я здесь, чтобы помочь и научить», на мышление, которое больше о «Я здесь, чтобы учиться у вас, и вместе мы можем изменить ситуацию».

Новые разработки в области спинтроники могут привести к тому, что графен будет использоваться в качестве строительного блока для электроники следующего поколения.

Спинтроника представляет собой сочетание электроники и магнетизма в наноразмерном масштабе и может привести к созданию высокоскоростной электроники следующего поколения. Спинтронные устройства являются жизнеспособной альтернативой для наноэлектроники, выходящей за рамки закона Мура, предлагая более высокую энергоэффективность и меньшее рассеивание по сравнению с обычной электроникой, которая зависит от токов зарядов. В принципе, у нас могут быть телефоны и планшеты, работающие на спиновых транзисторах и памяти.

Средний человек уже сталкивается со спинтроникой в ноутбуках и ПК, которые уже используют спинтронику в виде магнитных датчиков в считывающих головках жестких дисков. Эти датчики также используются в автомобильной промышленности.

Д-р Айвен Вера-Марун (Ivan Vera-Marun), лектор по физике конденсированных сред в Манчестерском университете, сказал: «Непрерывный прогресс в графеновой спинтронике и, в более широком смысле, в 2D-гетероструктурах, привел к эффективному созданию, переносу и обнаружению спиновой информации с использованием эффектов, ранее недоступных только одному графену. Поскольку усилия по фундаментальным и технологическим аспектам продолжаются, мы полагаем, что баллистический спиновый транспорт будет реализован в 2D-гетероструктурах даже при комнатной температуре. Такой транспорт позволил бы на практике использовать квантово-механические свойства волновых функций электронов, приводя спины в 2D-материалах на службу будущих подходов квантовых вычислений».

Управляемый спиновый транспорт в графене и других двумерных материалах становится все более перспективным для применения в устройствах. Особый интерес представляют нестандартные гетероструктуры, известные как гетероструктуры Ван-дер-Ваальса, которые состоят из стека двумерных материалов в точно контролируемом порядке.

Миллиарды устройств спинтроники, таких как датчики и память, уже производятся. Каждый жесткий диск имеет магнитный датчик, который использует ток спинов, и чипы с магнитной памятью с произвольным доступом (MRAM) становятся все более популярными.

За последнее десятилетие были получены захватывающие результаты в области графеновой спинтроники, которая переросла в следующее поколение исследований, распространяющихся на новые двумерные соединения.

С момента своего обнаружения в 2004 г. графен открыл двери для других 2D-материалов. Исследователи могут использовать эти материалы для создания стопок 2D-материалов, называемых гетероструктурами. Их можно комбинировать с графеном для получения новых «дизайнерских материалов» для создания приложений, изначально ограниченных научной фантастикой.

Идентификация и характеристика новых квантовых материалов с нетривиальными топологическими электронными и магнитными свойствами интенсивно изучаются во всем мире после формулирования в 2004 г. концепции топологических изоляторов. Спинтроника лежит в основе этого поиска. Благодаря своей чистоте, прочности и простоте, двумерные материалы являются лучшей платформой, где можно найти эти уникальные топологические особенности, которые связаны с квантовой физикой, электроникой и магнетизмом.

В целом, область спинтроники в графене и связанных с ним двумерных материалах в настоящее время движется в направлении демонстрации практических графеновых спинтронных устройств, таких как связанные наноосцилляторы для применений в областях космической связи, высокоскоростные радиолинии, радары для транспортных средств и межчиповые коммуникации.

23 июня исполнилось 108 лет со дня рождения Алана Тьюринга, известного криптографией военного времени и личной трагедией. Но его наследие намного шире. Один из истинных отцов вычислительной техники, он также сделал много других достижений, которые только сейчас становятся полностью оцененными.

По случаю этой даты ZDNet.com переиздала статью профессора математической логики в университете Лидса С. Барри Купера (S Barry Cooper), первоначально опубликованную в 2012 г. Ниже приводится ее краткое содержание.

Нет ничего примечательного в том, что достижения математиков остаются непризнанными в более широком мире, изменившемся благодаря их открытиям.

Скрытая история Алана Тьюринга является лишь особенно причудливым примером.

Жизнь и наука Тьюринга обитали в загадочной области между вычислимым и невычислимым. И в своих исследованиях, и в своей жизни он настойчиво пытался понять вещи в том, что мы можем описать только как вычислительный смысл.

Конечно, граница между вычислимым и невычислимым является опасной областью, как он обнаружил в последние годы своей жизни, принося жестокую неопределенность и довольно непредсказуемый конец.
Итак, каковы же эти 10 идей?

1. Вычисления
Машина Тьюринга сделала для вычислительной математики то же, что вычислительная математика Ньютона сделала для динамики частиц. Математика развеяла науку.

В более широком смысле это позволило многим сформулировать привычные ожидания науки, поддерживаемые Ньютоном, - так называемую лапласову модель - в рамках точной математической модели.
Сегодня мы выдвигаем некоторые из собственных вопросов Тьюринга о полноте его вычислительной модели.

2. Универсальность и программы как данные
Конечно, аспекты модели Тьюринга 1936 года ожидались другими, такими как Эмиль Пост. Ключевым дополнительным компонентом была универсальность, основанная на кодировании машин в качестве данных. Эта существенная особенность современного компьютера часто не понимается - хотя она, безусловно, была признана Джоном фон Нейманом и реализована в его отчете EDVAC 1945 года, который был столь важен в дальнейшей разработке компьютера с хранимой программой.

3. Программы как материализованные данные
Конечно, огромное количество труда и изобретательности ушло на создание универсальных машин, и вклад Тьюринга был очень важной частью этого. Ранние программируемые машины, конечно, не были универсальными. Средство обработки «программа как данные» современных компьютеров включает в себя труднопреодолимые воплощенные элементы абстракции Тьюринга.

Первым компьютером с хранимой программой, который работал, был манчестерский «Baby» 1948 года. По этому критерию выходят пионеры вычислительных машин, такие как Джон Атанасофф («первый электронный цифровой компьютер»), Чарльз Бэббидж (Аналитический движок с 1837 года), Конрад Цузе или Turing Bombe, Colossus и ENIAC - все их программы были в значительной степени записаны на внешних лентах и тому подобное.

4. Информация - скрытие и отображение
Однако рассматривая математику, нет сомнений в том, что она играет важную роль в расшифровке мира, в котором мы живем. Уинстон Черчилль, Алан Тьюринг и тысячи людей, посвятивших годы своей жизни тайной деятельности в Блетчли-Парке, были «гусями, которые несли золотые яйца», но никогда не гоготали».

5. Открытие неразрешимости
Всего за шесть лет до публикации «вычислимых чисел» Тьюринга Дэвид Гильберт громко провозгласил в Кенигсберге во вступительном слове перед Обществом немецких ученых и врачей, что:
«Для математика не существует Ignorabimus, и, на мой взгляд, и для естествознания … Истинная причина, по которой [никому] не удалось найти неразрешимую проблему, заключается в том, что, по моему мнению, нет неразрешимой проблемы».

Неразрешимая проблема Тьюринга заключалась в том, чтобы решить, будет ли его универсальная машина успешно вычисляться или нет. И следствием, известным в течение многих лет как «Теорема Чёрча», был нелогичный факт, что нет компьютерной программы для решения данного предложения логики первого порядка, является ли оно логически верным или нет.

6. Карта пути к невычислимому
Из всех работ Тьюринга его работа 1939 г. «Системы логики, основанные на порядковых числах» является наименее понятой. Была основная идея, что мы могли бы исследовать невычислимое с помощью итеративного приближения, возможно, даже найти способ вычисления за пределами барьера Тьюринга (машины).

Он обнаружил, что могут существовать вычислимые маршруты в невычислимых. Но это был поиск путей, которые победили машину. Конечно, математик очень хорошо знаком с этим явлением. Существует хорошо известная история о том, как Пуанкаре застрял в проблеме, оставил ее, чтобы путешествовать в автобусе, и решение пришло к нему полным и меметическим независимо от сознательного рационального мышления.

7. Оракулы и интерактивность
В этой длинной статье 1939 года скрыта одна страница, которая оказала огромное влияние на математику невычислимых. Мир вокруг нас - это мир информации, и мы не можем быть уверены, что вся эта информация возникла вычислимо - например, она могла быть доставлена через квантовое случайное явление, которое в недавних работах Калуде и Свозила вполне может быть связано с несовместимостью.

Как ни странно, несмотря на более поздний интерес Тьюринга к интерактивным вычислениям, он, похоже, никогда не вернулся к своей модели машины Оракула Тьюринга. Математическая разработка была оставлена Эмилю Посту и Стивену Клини и их преемникам, и с тех пор она стала богатым полем исследований, которые обещают реальную отдачу, которую Тьюринг нашел бы захватывающей.

8. Моделирование мозга
Некоторые из самых интересных работ Тьюринга - печально прерванные в 1954 году - были сделаны в последние несколько лет. Для Тьюринга человеческий мозг всегда был и вдохновением, и вызовом для его работы над вычислительными машинами. И он попытался дать характерно базовый подход как физическому, так и ментальному, этим двум утомительным спутникам философа разума.

В 1948 году Тьюринг предложил свои «неорганизованные машины», которые стали альтернативой модели нейронной сети более известным предшественникам Уоррена МакКаллока и Уолтера Питтса.

9. Тест Тьюринга и ИИ
На другом конце шкалы у нас есть знаменитая статья Тьюринга 1950 года в Mind, проницательно сужающая то, что можно разумно сказать о человеческом интеллекте, и обсуждающая в некоторых деталях его основанный на наблюдениях тест на интеллектуальную машину. Итоговый «тест Тьюринга» все еще доминирует в мышлении людей по этому вопросу.

10. Как природа вычисляет
К удивлению тех, кто находится за пределами биологии и медицины, наиболее цитируемыми из работ Тьюринга является его финальная статья за 1952 год «Химическая основа морфогенеза». И во многих отношениях это один из его самых оригинальных и, возможно, призрачных набегов в мир вычислений.

Последовательность видения Тьюринга в конце его короткой жизни дает нам морфогенез, населяющий тот же фрактальный мир, что и множество Мандельброта; тот же вычислительный мир, что и проблема остановки для универсальной машины Тьюринга; та же крупномасштабная структура, что и в наблюдаемой Вселенной.

11. Год Алана Тьюринга
Итак, что мы будем праздновать в 2012 году? Прежде всего, это должно быть дальнейшее влияние видения Тьюринга на некоторые из наиболее важных направлений исследований сегодня.

У Тьюринга был удивительный инстинкт распознавания больших вопросов о том, как устроен мир. Работа Тьюринга о природе вычислений определила компьютерную революцию, которая изменила наш мир. Мы должны отметить, как Тьюринг объединил практическое и дальновидное, и дал нам как технологические прорывы, так и постоянное ощущение тайны того, что находится за ее пределами.

Обещания, которые мы слышим о 5G, - это более высокая скорость соединения, меньшая задержка и покрытие везде. Но реальность такова, что вы можете получить одну или две из этих функций, но не все одновременно.

Стандарт 5G использует радиодиапазоны от субгигагерцевого до 40 ГГц. В сельской местности, где количество ячеек сотовой связи ограничено, спектр в диапазоне менее ГГц, безусловно, обеспечит улучшенное покрытие, но это происходит за счет скорости и задержки. Сверхбыстрая скорость соединения будет реализована на более высоких частотах (25-40 ГГц). Пользователи должны будут находиться в пределах мили от вышки сотовой связи, и городские объекты, такие как здания, транспортные средства, деревья, могут оказывать отрицательное влияние на уровень сигнала.

Лицензированные спектры 5G подавляют потенциальные помехи, которые могут возникать в нелицензированных спектрах Wi-Fi, используемых многими другими беспроводными технологиями, такими как Bluetooth и микроволновые печи. 5G будет поставляться сотовыми операторами беспроводной связи, но ее можно будет построить как частную сеть, развернув собственные точки доступа, как с Wi-Fi.

Архитектура диапазона высоких гигагерцевых частот для 5G требует большего количества точек радиодоступа. Пользователи внутри зданий должны будут проверить инфраструктуру - возможно, развернуть внутренние микроячейки, ретрансляторы и распределенные антенны - для решения проблем обслуживания внутреннего 5G.

5G нацелена на действительно мобильную связь, такую как в общественном транспорте и для транспортных средств безопасности, в открытом пространстве, например, в карьерах добычи полезных ископаемых, для мест добычи нефти и газа, в сельском хозяйстве, в некоторых производственных и студенческих или развлекательных зонах.

5G предлагает преимущества на рынке IoT (NB-IoT, LPWAN), и по мере развития стандартов технология 5G улучшит свои возможности для подключения IoT с низким энергопотреблением. В ближайшие годы развертывание 5G начнется в основных городах и определенных географических точках. Технология 4G останется распространенной в течение нескольких лет. Пользователям потребуются новые устройства, электронные защитные ключи и маршрутизаторы для подключения к услугам 5G, а для устройств IoT потребуется особая совместимость с сотовыми устройствами для подключения к 5G.

В настоящее время технология Wi-Fi зарекомендовала себя как универсальный стандарт для подключения мобильных телефонов, ноутбуков, планшетов и других портативных или стационарных устройств к локальной сети. Wi-Fi 6 (802.11ax) является последней версией Wi-Fi и обещает повышенную скорость, низкую задержку, улучшенную совокупную пропускную способность и улучшенное управление трафиком пользователей, что поможет уменьшить количество разрывов соединения.

И 5G, и Wi-Fi 6 основаны на множественном доступе с ортогональным частотным разделением каналов (OFDMA). Wi-Fi 6 менее подвержен помехам, чем предыдущие стандарты Wi-Fi, требует меньше энергии (что продлевает срок службы батареи устройства) и имеет улучшенную спектральную эффективность. По сути, это лучше при упаковке данных в сигнал.
Wi-Fi 6 предлагает полную поддержку таких технологий, как качество многопользовательского, множественного входа и множественного выхода (MU-MIMO), что значительно улучшит совместимость мобильных устройств. Это должно ускорить доставку контента. Технология Wi-Fi 6 также обратно совместима со старыми стандартами Wi-Fi.

Реальность такова, что 5G и Wi-Fi 6 развиваются параллельно; эти две технологии в значительной степени дополняют друг друга.

Инженеры первыми создали высокопроизводительное невзаимное устройство на компактной микросхеме, производительность которого в 25 раз выше, чем в предыдущей работе.

Волны, будь то световые, звуковые или любые другие, распространяются одинаково в прямом и обратном направлениях - это известно как принцип взаимности. Если бы мы могли направлять волны только в одном направлении - нарушая взаимность - мы могли бы преобразовать ряд приложений, важных в нашей повседневной жизни. Нарушение взаимности позволило бы нам создавать новые «односторонние» компоненты, такие как циркуляторы и изоляторы, которые обеспечивают двустороннюю связь, что может удвоить емкость данных современных беспроводных сетей. Эти компоненты необходимы для квантовых компьютеров, где каждый хочет прочитать кубит, не нарушая его. Они также имеют решающее значение для радиолокационных систем, будь то автомобили с автоматическим управлением или те, которые используются военными.

Команда, возглавляемая профессором электротехники Харишем Кришнасвами (Harish Krishnaswamy), первой создала высокопроизводительное невзаимное устройство на компактной микросхеме, производительность которого в 25 раз лучше, чем в предыдущей работе. Управление питанием является одним из наиболее важных показателей для этих циркуляторов, и новый чип Кришнасвами может давать несколько ватт мощности, что достаточно для передатчиков мобильных телефонов, которые выдают ватт или около того мощности. Новый чип был ведущим компонентом в программе DARPA SPAR (Обработка сигналов на радиочастоте) для миниатюризации этих устройств и улучшения показателей производительности. Группа Кришнасвами была единственной, кто интегрировала эти невзаимные устройства в компактную микросхему, а также продемонстрировала показатели производительности, которые были на порядок выше, чем в предыдущей работе. Исследование было опубликовано 4 мая 2020 года в журнале Nature Electronics.

«Для того, чтобы эти циркуляторы могли использоваться в практических целях, они должны иметь возможность управлять мощностью порядка ватта без перегрева, - говорит Кришнасвами, чьи исследования направлены на разработку интегрированных электронных технологий для новых высокочастотных беспроводных приложений. - Наши ранние устройства работали со скоростью в 25 раз меньшей, чем у этого нового. Наше устройство 2017 года было интересным научным курьезом, но оно не было готово к прайм-тайм. Теперь мы выяснили, как построить эти односторонние устройства в компактный чип, что позволяет им стать небольшими, дешевыми и широко распространенными. Это превратит все виды электронных приложений, от гарнитур виртуальной реальности до сотовых сетей 5G в квантовые компьютеры».

Традиционные «односторонние» устройства создаются с использованием магнитных материалов, таких как ферриты, но эти материалы не могут быть интегрированы в современные процессы изготовления полупроводников, поскольку они слишком громоздки и дороги. Хотя создание невзаимных компонентов без использования магнитных материалов имеет долгую историю, достижения в области полупроводниковых технологий выдвинули его на передний план. Группа Кришнасвами была сосредоточена на разработке изменяющихся во времени цепей, в частности цепей, управляемых тактовым сигналом, которые, как было показано, достигают невзаимных ответов.

Первоначальное открытие было сделано в 2017 году, когда аспирантка Кришнасвами Негар Рейскаримиан (Negar Reiskarimian), которая в настоящее время является доцентом в МТИ и соавтором исследования, экспериментировала с новым типом схемы, называемой фильтром с разветвлением на N путей. Она пыталась создать устройство другого типа, называемое дуплексором, которое обеспечивает одновременную передачу и прием, но на двух отдельных частотах. Экспериментируя с этой схемой, она соединила ее в петлю и увидела это поведение невзаимной циркуляции.

«Сначала мы не верили тому, что видели, и были уверены, что симулятор сломан, - говорит Кришнасвами. - Но когда мы нашли время, чтобы разобраться в этом, мы поняли, что это было что-то новое и действительно значительное».

В течение последних четырех лет группа Кришнасвами была в основном сосредоточена на применениях невзаимности в беспроводных приложениях, таких как полнодуплексная беспроводная связь. Теперь, разработав этот многообещающий новый компактный чип, они переключают свое внимание на квантовые вычисления. Квантовые компьютеры используют такие компоненты, как циркуляторы и изоляторы, чтобы считывать кубиты, не разрушая их. Магнитные циркуляторы и изоляторы в настоящее время используются в этих криогенных квантовых компьютерах, но они имеют большие размеры и дороги, что создает одно из узких мест для реализации квантовых компьютеров с большим числом кубитов. Группа Кришнасвами изучает возможность использования сверхпроводящих джозефсоновских переходов, той же технологии, которая применялась для создания кубита, чтобы создать криогенные циркуляторы в масштабе чипа, которые можно напрямую интегрировать с кубитами, что значительно снижает стоимость и размер.