Почти невозможно представить биологию без индивидуальностей - например, отдельных организмов, отдельных клеток и отдельных генов. Но как насчет рабочего муравья, который никогда не размножается и никогда не сможет выжить отдельно от колонии? Являются ли триллионы микроорганизмов в наших микробиомах (сообщество микроорганизмов, населяющих конкретную среду обитания), которые значительно превосходят наши человеческие клетки, частью нашей индивидуальности?

«Несмотря на почти универсальное предположение об индивидуальности в биологии, мало кто согласен с тем, что такое индивиды, и мало строгих количественных методов их идентификации», - пишут авторы новой работы, опубликованной в журнале Theory in Biosciences. Проблема, отмечают они в статье, аналогична идентификации фигуры по ее фону на рисунке гештальт-психологии. Подобно знаменитому изображению двух лиц, очерчивающих вазу, индивидуальная форма жизни и ее окружение создают единое целое, которое больше, чем сумма его частей.

Один из способов решить эту проблему - теория информации. Вместо того чтобы сосредоточиться на анатомических особенностях, таких как клеточные стенки, ряд авторов, в числе которых Дэвид Кракауэр (David Krakauer), Нильс Бертшингер (Nils Bertschinger) и Экехард Олбрих (Eckehard Olbrich), обращают внимание на структурированные информационные потоки между системой и ее средой. «Индивидуумы, - утверждают они, - лучше всего рассматривать с точки зрения динамических процессов, а не как стационарные объекты».

Информационная теория индивидуальности (или ITI) описывает возникающее взаимодействие в разных масштабах и с распределенными сетями связи (например, как муравьи, так и колонии одновременно).

Авторы используют модель, которая предлагает три типа индивидов, каждый из которых соответствует разной смеси саморегуляции и воздействия на окружающую среду. Декомпозиция информации, подобной этой, дает градиент: он варьируется от форм, поддерживающихся окружающей средой, таких как водовороты, до частично поддерживаемых колониальных форм, таких как коралловые рифы и паутина, до организменных особей, которые создаются окружающей средой, но сильно самоорганизуются.

Каждый из них представляет собой стратегию распространения информации во времени, то есть, добавляет Флэк, «индивидуальность заключается в уменьшении временной неопределенности». Репликация здесь выступает в качестве одной из многих стратегий для людей, чтобы упорядочить информацию в своем будущем. По мнению Флэка, это «дает нам право задавать вопросы о том, какую роль играет репликация в уменьшении временной неопределенности посредством создания индивидов», - вопрос, близкий к вопросу, почему мы находим жизнь на первом месте.
Возможно, самое большое значение этой работы состоит в том, как она помещает наблюдателя в центр эволюционной теории. «Как и в квантовой механике, - говорит Кракауэр, - когда состояние системы зависит от измерения, измерения, которые мы называем естественным отбором, определяют предпочтительную форму индивидуума. Кто проводит измерения? То, что мы находим, зависит от того, что наблюдатель способен видеть».

Коралловые полипы на молассовом рифе

Исследование, подтверждающее концепцию, обещает более теплые, дешевые и надежные квантовые вычисления. И это может быть изготовлено с использованием обычных кремниевых чипов.

Большинство квантовых компьютеров, разрабатываемых по всему миру, будут работать только на доли градуса выше абсолютного нуля. Такое охлаждения стоит несколько миллионов долларов, и как только вы подключите их к обычным электронным цепям, они сразу же перегреются.
Но теперь исследователи во главе с проф. Эндрю Дзураком (Andrew Dzurak) из UNSW в Сиднее решили эту проблему.

«Наши новые результаты открывают путь от экспериментальных устройств к недорогим квантовым компьютерам для реальных деловых и правительственных приложений», - говорит проф. Дзурак.

Ячейка квантового процессора, созданная исследователями на кремниевом чипе, работает при температуре 1,5 Кельвина - в 15 раз выше, чем основная конкурирующая технология на основе чипов, разрабатываемая Google, IBM и другими, в которой используются сверхпроводящие кубиты.

«Это все еще очень холодно, но это температура, которую можно достичь, используя охлаждение всего за несколько тысяч долларов, а не миллионы долларов, необходимых для охлаждения чипсов до 0,1 Кельвина», - объясняет Дзурак.

«Хотя это трудно оценить, используя наши повседневные представления о температуре, это увеличение является экстремальным в квантовом мире».

Ожидается, что квантовые компьютеры превзойдут обычные при решении ряда важных проблем, от точного изготовления лекарств до алгоритмов поиска. Однако разработка такого устройства, которое может быть изготовлено и эксплуатироваться в реальных условиях, представляет собой серьезную техническую проблему.

Исследователи из UNSW считают, что они преодолели одно из самых трудных препятствий на пути к тому, чтобы квантовые компьютеры стали реальностью.

В статье, опубликованной в журнале Nature, команда проф. Дзурака вместе с сотрудниками в Канаде, Финляндии и Японии сообщают о проверенной концепции элементарной ячейки квантового процессора, которая, в отличие от большинства разработок, проводимых во всем мире, не нуждается для работы в температуре ниже одной десятой градуса Кельвина.

Команда проф. Дзурака впервые объявила о своих экспериментальных результатах через академический допечатный архив в феврале прошлого года. Затем, в октябре 2019 года, группа в Нидерландах во главе с бывшим постдокторантом-исследователем в группе Дзурака Менно Вельдхорстом (Menno Veldhorst) объявила аналогичный результат, используя ту же кремниевую технологию, разработанную в UNSW в 2014 году.

Кубитные пары являются фундаментальными блоками квантовых вычислений. Как и его классический вычислительный аналог - бит - каждый кубит характеризует два состояния, 0 или 1 для создания двоичного кода. Однако, в отличие от бита, он может одновременно проявлять оба состояния, что называется суперпозицией.

Элементарная ячейка, разработанная командой проф. Дзурака, состоит из двух кубитов, заключенных в пару квантовых точек, встроенных в кремний. В увеличенном масштабе результат может быть изготовлен с использованием существующих заводов по производству кремниевых чипов, и он будет работать без охлаждения за несколько миллионов долларов. Также будет легче интегрироваться с обычными кремниевыми чипами, которые понадобятся для управления квантовым процессором.

Например, квантовому компьютеру, способному выполнять сложные вычисления, необходимые для разработки новых лекарств, потребуются миллионы пар кубитов, и обычно считается, что до него осталось не менее десяти лет. Эта потребность в миллионах кубитов представляет собой большую проблему для разработчиков.

«Каждая пара кубитов, добавленная в систему, увеличивает общее количество вырабатываемого тепла, - объясняет проф. Дзурак, - и добавленное тепло приводит к ошибкам. Именно поэтому нынешние конструкции необходимо поддерживать при температуре столь близкой к абсолютному нулю».

Перспектива использования квантовых компьютеров с достаточным количеством кубитов при температурах, намного более низких, чем в глубоком космосе, является пугающей, дорогой и доводит технологию охлаждения до предела.

Команда UNSW, однако, создала элегантное решение проблемы, инициализируя и «считывая» пары кубитов с помощью туннелирования электронов между двумя квантовыми точками.

Эксперименты, доказывающие концепцию, были выполнены доктором Генри Янгом (Henry Yang) из команды UNSW.

Доктор Генри Янг (слева) и профессор Эндрю Дзурак с холодильником, предназначенным для поддержания работы кубитов при чрезвычайно низких температурах

Международная группа исследователей нашла новый способ ускорить квантовые вычисления, который может проложить путь к огромному скачку в вычислительной мощности компьютеров.

Ученые из Ноттингемского университета и Стокгольмского университета (SU) ускорили квантовые вычисления с захваченными ионами, используя новый экспериментальный подход - ионы Ридберга в ловушке. Их результаты были опубликованы в Nature.

В обычных цифровых компьютерах логические элементы состоят из операционных битов, которые представляют собой электронные устройства на основе кремния. Информация кодируется в двух классических состояниях бита («0» и «1»). Это означает, что возможности классического компьютера увеличиваются линейно с количеством битов. Для решения возникающих научных и промышленных проблем создаются крупные вычислительные устройства или суперкомпьютеры.

Квантовый компьютер работает с использованием квантовых вентилей, то есть основных схемных операций над квантовыми битами (кубитами), которые сделаны из микроскопических квантовых частиц, таких как атомы и молекулы. Принципиально новым механизмом в квантовом компьютере является использование квантовой запутанности, которая может связывать два или группу кубитов вместе, так что их состояние больше не может быть описано классической физикой. Возможности квантового компьютера растут экспоненциально с увеличением числа кубитов. Эффективное использование квантовой запутанности значительно увеличивает возможности квантового компьютера для решения сложных проблем в таких областях, как криптография, материаловедение и медицина.

Среди различных физических систем, которые можно использовать для создания квантового компьютера, захваченные ионы возглавляли эту область годами. Основным препятствием на пути к крупномасштабному квантовому компьютеру с захваченными ионами является замедление вычислительных операций по мере расширения системы. Это новое исследование, возможно, нашло ответ на эту проблему.

Экспериментальная работа была проведена группой Маркуса Хеннриха (Markus Hennrich) в SU с использованием гигантских ридберговских ионов, в 100 млн. раз больших, чем нормальные атомы или ионы. Эти огромные ионы очень интерактивны и обмениваются квантовой информацией менее чем за микросекунду. Взаимодействие между ними создает квантовую запутанность. Чи Чжан (Chi Zhang) из Стокгольмского университета и его коллеги использовали перепутывающее взаимодействие для выполнения операции квантовых вычислений (запутывающих вентилей) примерно в 100 раз быстрее, чем обычно в системах с захваченными ионами.

Чи Чжан объясняет: «Обычно квантовые вентили замедляются в больших системах. Это не относится к нашим квантовым вентилям и ионным вентилям Ридберга в целом! Наши вентили могут позволить масштабировать квантовые компьютеры до размеров, где они действительно полезны!»

Теоретические расчеты в поддержку эксперимента и исследования источников ошибок были выполнены Вейбином Ли (Weibin Li) из Университета Ноттингема, Великобритания и Игорем Лесановским (Университет Ноттингема, Великобритания, и Тюбингенский университет, Германия). Их теоретическая работа подтвердила, что замедления, когда ионные кристаллы станут больше, действительно не ожидается, что подчеркивает перспективу масштабируемого квантового компьютера.

Вейбин Ли, доцент Школы физики и астрономии в Ноттингемском университете добавляет: «Наш теоретический анализ показывает, что квантовый компьютер с захваченными ионами Ридберга не только быстрый, но и масштабируемый, что делает возможным крупномасштабные квантовые вычисления, не беспокоясь о шуме окружающей среды. Совместная теоретическая и экспериментальная работа демонстрирует, что квантовые вычисления, основанные на захваченных ридберговских ионах, открывают новый путь для реализации быстрых квантовых вентилей и в то же время может преодолеть многие препятствия, встречающиеся в других системах».

В настоящее время команда работает над тем, чтобы запутать большее количество ионов и добиться еще более быстрых операций квантовых вычислений

Требования к хранению и обработке данных растут в геометрической прогрессии по мере того, как мир становится все более взаимосвязанным, подчеркивая необходимость в новых материалах, способных к более эффективному хранению и обработке данных.

Международная группа исследователей во главе с физиком Полом Чин-Ву Чу (Paul Ching-Wu Chu), директором-основателем Техасского центра сверхпроводимости в Университете Хьюстона, сообщает о новом соединении, способном сохранять свои скирмионные свойства при комнатной температуре благодаря использованию высокого давления. Результаты также предполагают возможность использования химического давления для поддержания свойств при атмосферном давлении, что открывает перспективы для коммерческого применения.

Скирмион - это наименьшее возможное возмущение однородного магнитного поля, точечная область обратной намагниченности, созданная прецессией спинов. Эти чрезвычайно малые области, а также возможность перемещать их с использованием очень малого электрического тока, делают материалы, на которых они размещаются, перспективными кандидатами для хранения информации с высокой плотностью. Но состояние скирмиона обычно существует только в очень низком и узком диапазоне температур. Например, в изученном Чу и его коллегами соединении состояние скирмиона обычно существует только в узком температурном интервале около 3 градусов Кельвина, между 55 К и 58,5 К. Это делает его непрактичным для большинства приложений.

Работая с соединением оксиселенида меди, Чу сказал, что исследователи смогли значительно расширить температурный диапазон, в котором существует состояние скирмиона, до 300 градусов Кельвина или около комнатной температуры. Первый автор Лянцзи Ден (Liangzi Deng) сказал, что они впервые успешно обнаружили состояние при комнатной температуре под давлением 8 гигапаскалей, используя специальную методику, разработанную им и его коллегами. Ден - научный сотрудник Техасского центра сверхпроводимости в Калифорнии (TCSUH).

Чу, один из авторов данной работы, сказал, что исследователи также обнаружили, что соединение оксиселенида меди претерпевает различные структурно-фазовые переходы с повышением давления, что позволяет предположить, что состояние скирмиона является более распространенным, чем считалось ранее.

«Наши результаты свидетельствуют о нечувствительности скирмионов к нижележащим кристаллическим решеткам», - сказал Чу.

Работа предполагает, что давление, необходимое для поддержания скирмионного состояния в соединении оксиселенида меди, может быть воспроизведено химически, что позволяет ему работать при атмосферном давлении. Это является еще одним важным требованием для потенциальных коммерческих применений. Это имеет некоторые аналогии с работой, которую Чу и его коллеги проделали с высокотемпературной сверхпроводимостью, объявив в 1987 году, что они стабилизировали высокотемпературную сверхпроводимость в YBCO (иттрий, барий, медь и кислород) путем замены ионов в соединении более мелкими изовалентными ионами.

Исследователи Лянцзи Ден (слева) и Пол Чу (Paul Chu) с коллегами сообщили об открытии нового соединения, способного сохранять свои скирмионные свойства при комнатной температуре благодаря использованию высокого давления. Работа обещает возможность строить СХД следующего поколения 

Исследователи разработали и впервые продемонстрировали кремниевый электрооптический модулятор, который меньше по размеру, быстрее и эффективнее современных технологий. Добавив оксид индия и олова (ITO) - прозрачный проводящий оксид, использующийся в сенсорных дисплеях и солнечных элементах, - на платформу с кремниевым фотонным чипом, исследователи смогли создать компактное устройство размером 1 мкм, способное модулировать сигнал с гигагерцевой частотой.

Электрооптические модуляторы - рабочие лошадки Интернета. Они преобразуют электрические данные от компьютеров и смартфонов в оптические потоки данных для оптоволоконных сетей, обеспечивая современную передачу данных, такую как потоковое видео. Новое изобретение является своевременным, поскольку спрос на услуги передачи данных быстро растет и движется в направлении сетей связи следующего поколения. Благодаря своим компактным размерам электрооптические преобразователи могут использоваться в качестве преобразователей в оптических вычислительных устройствах, таких как оптические искусственные нейронные сети, которые имитируют человеческий мозг, и в множестве других приложений для современной жизни.

Используемые сегодня электрооптические модуляторы обычно имеют размер от 1 мм до 1 см. Уменьшение их размера позволяет увеличить плотность упаковки, что жизненно важно для чипа. В то время как кремний часто служит пассивной структурой, на которой строятся фотонные интегральные схемы, взаимодействие кремниевых материалов со светом вызывает довольно слабое изменение оптического индекса, что требует большей занимаемой площади устройства. Хотя для усиления этого слабого электрооптического эффекта можно использовать резонаторы, они сужают оптический рабочий диапазон устройств и влекут за собой высокое потребление энергии необходимыми нагревающимися элементами.

Путем неоднородного добавления тонкого слоя материала оксида индия-олова в кремниевый фотонно-волноводный чип исследователи из Университета Джорджа Вашингтона (GWU) во главе с профессором электротехники и вычислительной техники Волкером Соргером (Volker Sorger) продемонстрировали изменение оптического индекса в 1000 раз больше, чем у кремния. В отличие от многих конструкций, основанных на резонаторах, это устройство с широкополосным спектром устойчиво к изменениям температуры и позволяет одному оптоволоконному кабелю переносить световые волны различной длины, увеличивая объем данных, которые могут проходить через систему.

«Мы рады, что достигли этой десятилетней цели демонстрации быстродействующего гигагерцевого модулятора ITO. Это открывает новые горизонты для фотонно-реконфигурируемых устройств следующего поколения с улучшенной производительностью и уменьшенным размером», - сказал д-р Соргер.

Исследователи GWU разрабатывают быстрый электрооптический модулятор микрометрового размера

Исследователи, расширяющие границы магнитов как средства для создания более быстрой электроники, опубликовали свои доказательства концепции в журнале Science.

Университет Центральной Флориды является ведущим университетом в рамках проекта междисциплинарной исследовательской инициативы университетов (MURI), который финансируется за счет гранта Министерства обороны США в размере 7,5 млн. долл. Команда, исследующая методы создания машин, которые работают с триллионами циклов в секунду, включает Калифорнийский университет, Санта-Крус и Риверсайд, Университет штата Огайо, Университет Окленда (Мичиган) и Университет Нью-Йорка, а также другие.

Современные компьютеры используют ферромагнетики (того же типа магнитов, что и на вашем холодильнике) для линейного расположения двоичных единиц и нулей, которые обрабатывают и хранят информацию. Антиферромагнетики гораздо более мощные, но их естественное состояние, не проявляющее никакой измеримой намагниченности, затрудняет использование их свойств.

Лаборатория доктора наук Энрике дель Барко (Enrique del Barco) и сотрудников Калифорнийского университета, Национальной лаборатории сильного магнитного поля, Норвежского научно-технического университета и Северо-восточного университета Китая успешно преодолевают это естественное сопротивление с помощью электрических токов, проходящих через антиферромагнетики на наноуровне. Результаты являются новаторскими, поскольку они представляют собой доказательство концепции, показывающей, что антиферромагнитные устройства могут работать на терагерцой частоте, то есть, выполнять вычисления за триллионную долю секунды. Это не только имеет потенциал для всего, от систем наведения до коммуникаций, но и приближает устройства к тому, чтобы имитировать работу мозга.

«Сейчас мы видим, что работа на этом уровне возможна и выполнима», - сказал д-р дель Барко.

Следующие шаги потребуют тесного сотрудничества между теорией, экспериментом и группами материаловедения в рамках MURI. Создание устройств на наноуровне (с поперечными размерами менее половины микрона) требует фундаментального понимания соответствующих материалов. И теоретические, и экспериментальные исследования будут следовать этому доказательству концепции с целью поиска креативных способов уменьшения масштабов антиферромагнетиков.

Исследователи, расширяющие границы магнитов как средства для создания более быстрой электроники, опубликовали свои доказательства концептуальных результатов в журнале Science

Цифровые камеры, как и многие другие электронные устройства, нуждаются в светочувствительных сенсорах. Чтобы удовлетворить растущий спрос на такие оптоэлектронные компоненты, промышленность ищет новые полупроводниковые материалы. Предполагается, что они должны не только охватывать широкий диапазон длин волн, но и быть недорогими. Гибридный материал, разработанный в Дрездене, удовлетворяет обоим этим требованиям. Химани Арора (Himani Arora), аспирант-физик в Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), продемонстрировала, что эту металлоорганическую структуру можно использовать в качестве широкополосного фотоприемника. Поскольку она не содержит дорогостоящего сырья, ее можно производить недорого оптом.

За последние двадцать лет металлоорганические структуры (MOF) стали желанной материальной системой. До сих пор эти высокопористые вещества, до 90% которых состоят из пустого пространства, в основном использовались для хранения газов, для катализа или для медленного высвобождения лекарств в организме человека. «Металлоорганическое каркасное соединение, разработанное в TU Dresden, включает органический материал, интегрированный с ионами железа, - объясняет д-р Артур Эрбе (Artur Erbe), руководитель группы «Транспорт в наноструктурах» Института физики и материаловедения HZDR. - Особенностью этого является то, что каркас формирует наложенные слои с полупроводниковыми свойствами, что делает его потенциально интересным для оптоэлектронных приложений».

У группы была идея использовать новый полупроводниковый двумерный MOF в качестве фотоприемника. Чтобы продолжить это, Химани Арора исследовала электронные свойства полупроводника. В частности, она исследовала, в какой степени светочувствительность зависит от температуры и длины волны, и пришла к многообещающему выводу: полупроводник может обнаруживать широкий диапазон длин волн света - от 400 до 1575 нанометров. Спектр излучения, таким образом, переходит от ультрафиолетового к ближнему инфракрасному.

Спектр длин волн, которые полупроводниковый материал может покрывать и преобразовывать в электрические сигналы, существенно зависит от запрещенной зоны. В типичных полупроводниках валентная зона полностью заполнена, поэтому электроны не могут двигаться. Зона проводимости, с другой стороны, в основном пуста, поэтому электроны могут свободно перемещаться и влиять на течение тока. В то время как запрещенная зона в изоляторах настолько велика, что электроны не могут перейти из зоны валентности в зону проводимости, у металлических проводников таких зон нет. Ширина запрещенной зоны полупроводника достаточно велика, чтобы перевести электроны на более высокий энергетический уровень зоны проводимости с помощью световых волн. Чем меньше ширина запрещенной зоны, тем меньше энергия, необходимая для возбуждения электрона. «Поскольку запрещенная зона в материале, который мы исследовали, очень мала, требуется очень мало световой энергии, чтобы вызвать электричество, - объясняет Химани Арора. - Это причина большого диапазона обнаруживаемого спектра».

Охлаждая детектор до более низких температур, производительность может быть улучшена еще больше, потому что тепловое возбуждение электронов подавлено. Другие улучшения включают оптимизацию конфигурации компонентов, создание более надежных контактов и дальнейшее развитие материала. Результаты показывают, что у фотоприемников на основе MOF будет светлое будущее. Благодаря своим электронным свойствам и недорогому производству, слои MOF являются многообещающими кандидатами для множества оптоэлектронных применений.

«Следующим шагом является масштабирование толщины слоя, - говорит Артур Эрбе, заглядывая вперед. - В исследовании для создания фотоприемника использовались 1,7 мкм пленки MOF. Чтобы интегрировать их в компоненты, они должны быть значительно тоньше». По возможности цель состоит в том, чтобы уменьшить наложенные слои до 70 нм, то есть в 25 раз меньше их размера. До этой толщины слоя материал должен проявлять сопоставимые свойства. Если группа может доказать, что функциональность в этих значительно более тонких слоях остается неизменной, она может приступить к ее разработке до стадии производства.

Физики ГЗДР и ТУ Дрездена разработали фотоприемник, полностью основанный на слоях металлорганических каркасов. Поскольку это соединение может обнаруживать и преобразовывать широкий диапазон длин волн света в электрические сигналы, оно может стать новым материалом детектора

Международное сотрудничество изучает, как квантовые вычисления могут быть использованы для анализа огромного количества данных, полученных в результате экспериментов на Большом адронном коллайдере (LHC) в ЦЕРН. Исследователи показали, что «машина квантовых опорных векторов» может помочь физикам разобраться в огромном количестве данных, генерируемой в ЦЕРН.

Эксперименты на LHC могут дать ошеломляющий один петабайт в секунду данных из примерно одного миллиарда столкновений частиц в секунду. Многие из этих данных должны быть отброшены, потому что эксперименты могут сосредоточиться только на подмножестве событий столкновения. Тем не менее, анализ данных CERN в настоящее время опирается на около миллиона процессорных ядер, работающих в 170 компьютерных центрах по всему миру.
LHC в настоящее время проходит модернизацию, которая увеличит частоту столкновений. Ожидается, что вычислительная мощность, необходимая для обработки и анализа дополнительных данных, к 2027 году возрастет в 50–100 раз. В то время как усовершенствования в современных технологиях устранят небольшую часть этого разрыва, исследователям в ЦЕРН придется искать новые и более разумные способы, для решения вычислительных задач - вот где приходят квантовые вычисления.

В 2001 году лаборатория создала государственно-частное партнерство под названием CERN openlab, чтобы ускорить разработку новых компьютерных технологий, необходимых исследовательскому сообществу CERN. Одной из нескольких ведущих технологических компаний, вовлеченных в это сотрудничество, является IBM, которая также является крупным игроком в области исследований и разработок в области квантовых вычислений.
Квантовые компьютеры могут, в принципе, решать определенные проблемы гораздо быстрее, чем обычные компьютеры. Хотя для создания практичных квантовых компьютеров необходимо преодолеть значительные технологические проблемы, IBM и несколько других компаний создали коммерческие квантовые компьютеры, которые уже могут выполнять вычисления.

Федерико Карминати (Federico Carminati), физик-компьютерщик в CERN и главный директор по инновациям CERN openlab, объясняет интерес лаборатории к квантовому решению: «Мы смотрим на квантовые вычисления, поскольку они могут обеспечить возможное решение нашей проблемы вычислительной мощности». Он рассказал Physics World, что CERN openlab не хочет завтра пытаться внедрить мощный квантовый компьютер, а скорее играет в «игру средней продолжительности», чтобы увидеть, что возможно. «Мы можем попытаться смоделировать ядерную физику, рассеяние ядер, возможно, даже смоделировать кварки и фундаментальные взаимодействия», - объясняет он.

CERN openlab и IBM начали совместную работу над квантовыми вычислениями в 2018 году. Теперь физики из Университета Висконсина во главе с Сау Лань Ву (Sau Lan Wu), CERN, IBM Research в Цюрихе и Fermilab около Чикаго, изучают, как можно использовать машинное обучение квантовой машины для идентификации события бозона Хиггса в данных столкновения LHC.

Используя квантовые компьютеры и квантовые компьютерные симуляторы IBM, команда решила применить метод квантовых опорных векторов к этой задаче. Это квантовая версия управляемой системы машинного обучения, которая используется для классификации данных.

«Мы проанализировали смоделированные данные экспериментов Хиггса с целью определения наиболее подходящего алгоритма обучения квантовой машины для выбора интересующих событий, который можно в дальнейшем проанализировать с использованием традиционных, классических алгоритмов, - объясняет Панагиотис Баркауцос ( Panagiotis Barkoutsos) из IBM Research.

Предварительные результаты эксперимента были очень многообещающими. Пять квантовых битов (кубитов) на квантовом компьютере IBM и квантовых симуляторах были применены к данным. «С нашей квантовой машиной опорных векторов, мы проанализировали маленький образец обучения с более чем 40 функциями и пятью тренировочными переменными. Результаты очень близки, а иногда даже лучше, чем результаты, полученные с использованием самых известных эквивалентных классических классификаторов, и были получены эффективно и в короткие сроки», - говорит Баркауцос.

Обнаружение бозона Хиггса в данных LHC часто сравнивают с «поиском иголки в стоге сена», учитывая его очень слабый сигнал. Действительно, большая часть вычислительного времени, использованного физиками LHC, до сих пор уходила на анализ бозона Хиггса.

Важной целью LHC является проверка Стандартной модели физики элементарных частиц до предела в поисках новой физики - и квантовые вычисления могут сыграть важную роль. «Это именно то, к чему мы стремимся, очень точный анализ сложных данных, которые могут привести к аномалиям, которые помогут нам улучшить Стандартную модель или выйти за ее пределы», - заключает Карминати.

Работа ведется с использованием большего числа кубитов, большего количества обучающих переменных и больших размеров выборки.

Изобилие данных: моделирование треков частиц, возникающих при рождении бозона Хиггса в протон-протонных столкновениях на LHC

Прорыв после 50 лет работы открывает путь для фотонных чипов.

Излучение света кремнием десятилетиями было «святым Граалем» в микроэлектронной промышленности. Решение этой головоломки революционизирует компьютерные технологии, поскольку чипы станут быстрее, чем когда-либо. Исследователи из Технологического университета Эйндховена теперь в этом преуспели: они разработали сплав с кремнием, который может излучать свет. Результаты были опубликованы в журнале Nature. Теперь команда начнет создавать кремниевый лазер для интеграции в существующие чипы.

Каждый год мы используем и производим значительно больше данных. Но наши современные технологии, основанные на электронных чипах, достигают своего предела. Ограничивающим фактором является тепло, возникающее из-за сопротивления, которое испытывают электроны при прохождении по медным линиям, соединяющие множество транзисторов на кристалле. Если мы хотим продолжать передавать все больше и больше данных каждый год, нам нужна новая технология, которая не производит тепло. Это может обеспечить фотоника, которая использует фотоны для передачи данных.

В отличие от электронов, фотоны не испытывают сопротивления. Поскольку они не имеют массы или заряда, они будут меньше рассеиваться в материале, через который проходят, и поэтому тепло не вырабатывается. Следовательно, потребление энергии будет уменьшено. Более того, заменяя электрическую связь внутри микросхемы оптической связью, можно повысить скорость обмена данными внутри микросхемы и между микросхемами в 1000 раз. Центры обработки данных выиграют больше всего благодаря более быстрой передаче данных и меньшему потреблению энергии для системы охлаждения. Но эти фотонные чипы также принесут новые приложения в ближайшем будущем. Подумайте о лазерном радаре для автомобилей с автоматическим управлением и химических датчиках для медицинской диагностики или для измерения качества воздуха и пищи.

Чтобы использовать свет в чипах, понадобится источник света – интегрированный лазер. Основным полупроводниковым материалом, из которого сделаны компьютерные чипы, является кремний. Но объемный кремний крайне неэффективен в излучении света, и поэтому долгое время считалось, что он не играет никакой роли в фотонике. Таким образом, ученые обратились к более сложным полупроводникам, таким как арсенид галлия и фосфид индия. Они хорошо излучают свет, но стоят дороже, чем кремний, и их трудно интегрировать в существующие кремниевые микрочипы.

Чтобы создать кремний-совместимый лазер, ученым необходимо было создать форму кремния, которая может излучать свет. Именно в этом и преуспели исследователи из Технологического университета Эйндховена (TU/e). Вместе с исследователями из университетов Йены, Линца и Мюнхена они объединили кремний и германий в гексагональную структуру, способную излучать свет. Это прорыв после 50 лет работы.

«Суть в природе запрещенной зоны полупроводника, - говорит ведущий исследователь Эрик Баккерс (Erik Bakkers) из TU/e. - Если электрон переходит из зоны проводимости в валентную зону, полупроводник излучает фотон». Но если зона проводимости и валентная зона смещены относительно друг друга, что называется непрямой запрещенной зоной, фотоны не могут испускаться, как в случае с кремнием. «Однако 50-летняя теория показала, что кремний, легированный германием, имеющий гексагональную структуру, имеет прямую запрещенную зону и, следовательно, потенциально может излучать свет», - говорит Баккерс.

Формирование кремния в гексагональной структуре, однако, не так просто. Поскольку Баккерс и его команда овладели техникой выращивания нанопроволок, они смогли создать гексагональный кремний в 2015 году. Они реализовали чистый гексагональный кремний, впервые вырастив нанопроволочки из другого материала с гексагональной кристаллической структурой. Затем они вырастили кремниево-германиевую оболочку по этому шаблону. Эльхам Фадали (Elham Fadaly), один из авторов статьи в Nature, сказал: «Мы смогли сделать это так, чтобы атомы кремния были построены на гексагональной матрице, и тем самым заставили атомы кремния расти в гексагональной структуре».

Но они до сих пор не могли заставить их излучать свет. Команде Баккерса удалось повысить качество гексагональных кремний-германиевых оболочек за счет уменьшения количества примесей и кристаллических дефектов. При возбуждении нанопроволоки лазером, они могли измерить эффективность нового материала.

По мнению Баккерса, создание лазера - дело времени. «К настоящему времени мы осознали оптические свойства, которые почти сопоставимы с фосфитом индия и арсенидом галлия, и качество материалов резко улучшается. Если дела пойдут гладко, мы можем создать лазер на основе кремния в 2020 году. Это позволит обеспечить тесную интеграцию оптической функциональности в доминирующей электронной платформе, которая открыла бы перспективы для встроенной оптической связи и доступных химических датчиков на основе спектроскопии».

Тем временем его команда также исследует, как интегрировать гексагональный кремний в микроэлектронику кубического кремния, что является важной предпосылкой для этой работы.

Загляните внутрь металлоорганической парофазной эпитаксии (MOVPE). Эта машина использовалась для выращивания нанопроволок с гексагональными кремний-германиевыми оболочками

Осуществлена двунаправленная передача оптического сигнала между двумя идентичными устройствами с использованием перовскитных диодов.

Исследователи из Университета Линчёпинга (LiU) вместе с коллегами из Китая разработали крошечный прибор, который одновременно является и оптическим передатчиком и приемником. «Это очень важно для миниатюризации оптоэлектронных систем», - говорит профессор LiU Фэн Гао (Feng Gao).

Чуньсюн Бао (Chunxiong Bao), постдок из Университета Линчёпинга, вводит предложение на экране компьютера, и то же самое предложение немедленно появляется на соседнем экране, оптически передаваемое с одного диода на другой. Диод сделан из перовскита, одного из большого семейства материалов, определяемых их особой кристаллической структурой.

Перовскиты состоят из металла и галогена и зарекомендовали себя как универсальные полупроводники, которые легко и дешево изготовить. Они также обладают полезным свойством детектирования и излучения света. Исследователи из Университета Линчёпинга вместе с китайскими коллегами разработали диод, который может работать в дуплексном режиме: он может принимать оптические сигналы и может так же легко передавать их. Это означает, что текст и фотографии могут передаваться по беспроводной сети от одного устройства к другому и обратно, используя два идентичных устройства. И так быстро, что мы воспринимаем это как происходящее в режиме реального времени.

Осенью 2018 года д-р Чуньсюн Бао обнаружил подходящий перовскит для создания фотоприемника, демонстрирующего более высокую производительность и длительный срок службы, и описал это в статье в Advanced Materials. Разработка светодиодов из перовскитов также достигла быстрого прогресса. Вейдон Сюй (Weidong Xu), постдок из Университета Линчёпинга, в прошлом году разработал перовскитный светодиод с эффективностью 21%, который является одним из лучших в мире, и опубликовал результаты в журнале Nature Photonics. Теперь ученые сумели разработать перовскит, который состоит из светодиода и в то же время является отличным фотоприемником.

Вся оптическая связь требует быстрых и надежных фотоприемников - устройств, которые захватывают свет и преобразуют его в электрический сигнал. В современных системах оптической связи используются фотоприемники, изготовленные из таких материалов, как кремний и арсенид индия-галлия. Они, однако, дороги и не могут использоваться в приложениях, которые требуют небольшого веса, гибкости или больших поверхностей.

«Чтобы продемонстрировать потенциал нашего диода с двойной функцией, мы создали монолитный датчик, который распознает сердцебиение в режиме реального времени, и оптическую двунаправленную систему связи», - говорит д-р Чуньсюн Бао.

Этот крошечный блок, который может принимать и передавать оптические сигналы, предоставляет уникальную возможность упростить и уменьшить современные оптические системы, в частности, учитывая, что он также может быть интегрирован с традиционными электронными схемами.

«Нам удалось объединить передачу и прием оптического сигнала в одну схему, что позволяет передавать оптические сигналы в обоих направлениях между двумя одинаковыми цепями. Это ценно в области миниатюрной и интегрированной оптоэлектроники», - говорит руководитель исследований в отделе биомолекулярной и органической электроники профессор Фен Гао (Feng Gao).

Перовскит, который состоит из светодиода и в то же время является отличным фотоприемником.