`

СПЕЦИАЛЬНЫЕ
ПАРТНЕРЫ
ПРОЕКТА

Архив номеров

Что для вас является метрикой простоя серверной инфраструктуры?

Best CIO

Определение наиболее профессиональных ИТ-управленцев, лидеров и экспертов в своих отраслях

Человек года

Кто внес наибольший вклад в развитие украинского ИТ-рынка.

Продукт года

Награды «Продукт года» еженедельника «Компьютерное обозрение» за наиболее выдающиеся ИТ-товары

 

Видение сквозь стены из неизвестных материалов

Исследователи из Университета Дьюка разработали способ видеть через стены, используя микроволны с узкой полосой частот без какого-либо предварительного знания, из чего сделаны стены. Помимо наличия очевидных приложений в сфере безопасности, этот подход может привести к недорогим устройствам, которые помогут строителям легко находить кабели, трубы и провода.

«Большинство технологий, которые позволяют видеть сквозь стены, используют широкий диапазон частот, что делает их дорогими, - сказал Даниэль Маркс (Daniel Marks), доцент электротехники и вычислительной техники из Университета Дьюка. - У них также не очень хорошее разрешение. Поэтому, хотя с их помщью будет хорошо видно, как человек движется по другую сторону стены, они не подходят для поиска тонких кабелей или проводов».

Современные подходы также обычно основаны на знании того, из какого материала изготовлена стена, прежде чем пытаются что-то увидеть через нее. Это позволяет программному обеспечению предсказать, как стена повлияет на сканирующие волны, так чтобы можно было отделять эхо-сигналы и искажения от твердых объектов.

В новой статье Маркс и его коллеги вместо этого используют симметрию стены.
Поскольку стены, как правило, плоские и однородные во всех направлениях, они искажают волны симметричным образом. Новая технология использует эту симметрию для получения преимуществ.

«Мы написали алгоритм, который разделяет данные на части, - одну, которая показывает круговую симметрию, и другую, где ее нет, - пояснил Окан Юрдусевен (Okan Yurduseven), научный сотрудник в Университете Дьюка. - Данные, которые не имеют никакой симметрии, - это то, что мы пытаемся увидеть».

Этот метод использует только одну частоту для сканирования, поскольку это сокращает количество помех, создаваемых стеной, и одночастотные излучатели намного дешевле, чем широкополосные излучатели. Использование узкого диапазона также означает, что будущему устройству будет легче получить сертификат Федеральной комиссии по связи (FCC), поскольку это позволяет легко избежать интерференции с микроволновыми частотами, предназначенными для других технологий, таких как Wi-Fi, обслуживание сотовых телефонов и Bluetooth.

Исследователи создали прототип устройства, чтобы понять, как оно будет работать. В своей лаборатории они построили пару различных видов стен, а затем разместили объекты за ними, которые прибор мог бы найти, например, шпильки, электрические кабели, провода и распределительные коробки.

Глядя на необработанные данные после сканирования через гипсокартон, трудно разобрать что-либо, кроме металлической распределительной коробки шириной 4 дюйма и толщиной 2 дюйма. Но после анализа данных и удаления симметричных изображений, снимки заметно очистились, и каждый отдельный компонент легко распознается.

«Мы предполагаем объединить эту технику с системой машинного зрения, чтобы кто-то извне мог увидеть, что внутри, - сказал Маркс. - Мы считаем, что технология имеет ценовой уровень и чувствительность, чтобы оказать влияние на рынок».

Видение сквозь стены из неизвестных материалов

Вид микроволнового сканирования пространства за типичной стеной перед и после удаления искажений. Принимая во внимание типы искажений, обычно создаваемых плоскими однородными стенами, новый алгоритм позволяет лучше сканировать, не зная заранее, из чего сделаны стены

Спасет ли единоличная аренда от уязвимости Meltdown?

По мере того как продолжает нагнетаться напряженность, вызванная уязвимостями Meltdown и Spectre в процессорах Intel, а теперь и в некоторых процессорах ARM, вопрос о том, что с этим делать, выходит на передний план. Очевидно, что не существует заплатки для кремния. Intel придется исправить будущие чипы, чтобы справиться с этим.

Intel была проинформирована Google Zero Project о так называемых атаках Meltdown и Spectre летом 2017 года, но ничего не было опубликовано публично до тех пор, пока в январе 2018 года эта история не стала известной. Intel заявила, что в декабре 2017 года она начала распространять обновления прошивки для OEM-партнеров. «Для процессоров Intel, представленных за последние пять лет, мы ожидаем выпуск обновлений более чем для 90 процентов из них в течение недели, а остальная часть к концу января», - говорится в заявлении компании.

Intel заявила, что бизнес и домашние приложения не должны замечать значительных замедлений в общих задачах, таких как чтение электронной почты, создание документа или доступ к цифровым фотографиям.

Итак, на данный момент имеются только программные заплатки. Внесены исправления в дистрибутивы Linux, а Microsoft выпустила заплатки для Windows, хотя угроза для потребителей минимальна. Apple также выпустила исправление для macOS.

«Это было своеобразной первой помощью для ядра. Было мало оптимизаций. Это смягчило вред от эксплойта, но методом молотка и зубила. Вопрос в том, какую производительность мы можем получить с этими обновлениями», - сказал Зак Смит (Zac Smith), генеральный директор облачного провайдера Packet.

Падение производительности вследствие установки заплаток уже ощутили некоторые клиенты. Один из разработчиков продемонстрировал свои экземпляры Amazon EC2 с заметным снижением производительности. Это связано с тем, что по мере того как Amazon выполняет обновления ядра, виртуальные машины перезагружаются с исправлением, которое, по оценкам, влияет на производительность на целых 20-30 %.

Таким образом, пользователи очутились между двумя вариантами, оба из которых неудачны: работать без исправления и рисковать подвергнуться атаке эксплойта или устранить проблему и получить снижение производительности. Смит утверждает, что существует третье решение – одиночная аренда.

Сегодня большинство виртуальных сред, особенно облачных провайдеров, предусматривают многоарендность как неотъемлемую составляющую сервисов. Amazon, Microsoft и Google - все управляют виртуальными машинами - и вы разделяете пространство процессора с кто его знает кем. IBM является единственным крупным провайдером, который предлагает то, что известно как хостинг «голого железа». Это означает, что заказчик обеспечивает весь уровень программного обеспечения, начиная с ОС. Это сделано через дочернюю компанию SoftLayer, хотя Amazon недавно объявила о планах предложить такой же сервис.

Хотя этот совет исходит от облачного провайдера, он также работает и на собственных площадках компаний. Если ваша сеть закрыта, и вы ограничиваете доступ к высокопроизводительным приложениям, таким как хранилище данных, бизнес-аналитике, аналитической обработке онлайн (OLAP) или к приложениям для больших данных, тогда вы можете быть достаточно уверенными, что никто его не получит.

Зак Смит отметил, что многие клиенты работают по сценариям единственного арендатора с сильно контролируемой средой и не нуждаются в исправлениях для Meltdown: «Некоторые из наших клиентов очень заинтересованы в применении как заплаток для ядра, так и обновлений, в то время как другие хотят оставаться без них. Они не хотят, чтобы производительность падала, и понимают собственную безопасность при единоличной аренде».

Эти клиенты имеют общий профиль: им нужна очень большая производительность, и они работают с одной рабочей нагрузкой в больших масштабах. Они хорошо знают свой код, не разделяют его ни с кем и сильно изменяют операционную среду.

Обычно это относится для задач с высокой интенсивностью вычислений, таких как извлечение и преобразование нагрузки (ETL) или большие данные, а компании не хотят замедлять производительность до 20 %, они не запускают случайные рабочие нагрузки, и они не позволяют случайным пользователям получить доступ к пространству приложений.

Смит отметил, что индивидуальная аренда не панацея, но если заказчик использует виртуальную машину в общедоступном облаке, то он рискует. Если собственная рабочая нагрузка запускается в заблокированной однопользовательской среде с вашим собственным ядром, это хорошо. Никакие другие заказчики не могут использовать доступ к памяти… На данный момент.

Управление спином электронов для хранения данных

Исследователи научились манипулировать магнетизмом материала, создавая пространство для более быстрых устройств магнитной памяти. Исследователи Университета Тохоку разработали компьютерное моделирование, которое показывает, что использование сверхбыстрых лазерных импульсов для возбуждения электронов в магнитном материале переключает его в переходное немагнитное состояние. Это может сократить время, затрачиваемое на манипулирование магнетизмом материала, улучшение технологий хранения и обработки информации.

Хранение битов данных в устройствах с магнитной памятью требует возможности переключать магнетизм в материале между ферромагнитным и антиферромагнитным состояниями. В ферромагнитном состоянии электронные спины внутри материала выравниваются параллельно друг другу в одном направлении, делая его магнитным. В антиферромагнитном состоянии электронные спины выравниваются параллельно друг другу, но в противоположных направлениях у соседних электронов, делая материал, в котором они существуют, практически немагнитным.

Исследователи изучали способы управления спинами электронов, используя сверхбыстрые лазерные импульсы, чтобы получить более быструю память. Чем короче лазерный импульс, тем быстрее будет переворот спина.

Физики из Университета Тохоку Ацуши Оно (Atsushi Ono) и Сумио Ишихара (Sumio Ishihara) разработали компьютерную модель взаимодействия электронов и их спинов друг с другом и реагирования на лазерный свет.

Они обнаружили, что воздействие на электроны в ферромагнитных материалах непрерывным лазерным светом переводит их в возбужденное состояние, вызывая электронное взаимодействие, приводящее к антиферромагнитному эффекту. Применение сверхбыстрых световых импульсов также приводит к переключению от ферромагнетизма к переходному антиферромагнетизму с последующим восстановлением ферромагнетизма. Когда исследователи применяли сверхбыстрый лазерный импульс, сопровождаемый непрерывным лазерным светом, электроны переводились в антиферромагнитное состояние, которое затем поддерживалось непрерывным светом. Выключение непрерывного света вызвало постепенное исчезновение антиферромагнитного состояния.

Понимание этих взаимодействий, а также фундаментальные пределы переключения спина необходимы для будущей разработки устройств магнитной памяти. Следующий этап потребует физические эксперименты для проверки предсказаний модели.

«Экспериментальные подтверждения необходимы для создания практического предложения», - пишут ученые в своем исследовании, опубликованном в журнале Physical Review Letters. Оно и Ишихара предлагают перовскитные манганиты и слоистые манганиты как возможные материалы для тестирования своей модели. Они также предлагают различные методы, такие как магнитная рентгеновская дифракция и фотоэмиссионная спектроскопия, для наблюдения переходного антиферромагнитного состояния.

Управление спином электронов для хранения данных

При облучении лазером параллельные спины изменяются на антипараллельные

Погружение в неизвестность: что такое физика после бозона Хиггса?

Работа в исследовательском центре CERN в Швейцарии стала широко известна, когда в 2013 году Нобелевское открытие бозона Хиггса завершило Стандартную модель физики частиц. Как и тысячи других физиков в CERN, Юска Пекканен (Juska Pekkanen) изучает явления, которые выходят за рамки нынешнего понимания субатомного мира.

Например, только 15% массы всей Вселенной теперь можно отнести к нормальной видимой материи, остальное - темная материя, о которой мало известно. В равной мере окутана тайной темная энергия, которая заставляет Вселенную расширяться и отталкивать небесные тела друг от друга.

«Поскольку эти и многие другие вопросы все еще остаются без ответа, мы должны попытаться рассмотреть их и понять явления, которые не имеют объяснения в текущей физике», - говорит Пекканен.

Один из способов сделать это - заставить протоны сталкиваться на чрезвычайно высоких скоростях и энергиях и изучать, что происходит в результате этого. Пекканен и его коллеги сосредоточились на всплесках частиц, называемых «струями», которые рождаются при столкновении протонов. Эти события могут содержать слабые признаки присутствия совершенно новых частиц.

Изучение струй на уровне частиц стало зарождающейся областью физики, названной Пекканеном и его коллегами на эксперименте Compact Muon Solenoid (CMS) в CERN 'jet particology' (струйная частицелогия). Они фиксируют столкновения в Большом адронном коллайдере в CERN и анализируют их результаты. Практически каждое столкновение создает струи или всплески десятков частиц, которые состоят из кварков и глюонов. Исследователи подсчитывают полную энергию в струях и измеряют, как энергия переносится различными видами частиц.

«Мы пытаемся получить как можно более подробное представление о струях с помощью миллионов датчиков в нашем 20-метровом детекторе массой 15 тысяч тонн. Чем точнее мы будем проводить наши измерения, тем легче станет открывать новые частицы», - говорит Пекканен.

Тысячи сигналов, которые собирают некоторые из миллионов датчиков, должны быть отсортированы по сложным алгоритмам. Восстанавливая события с помощью компьютерного моделирования, датчики могут быть точно настроены.

Струи могут, по словам Пекканена, также быть ключом в поиске новых массивных частиц. Он сосредоточился на событиях, когда столкновение частиц создает две струи, которые выбрасываются в противоположные стороны.

«Эти события могут быть точкой, в которой сначала рождается неизвестная частица, а затем мгновенно распадается на другие частицы. Мы анализируем миллиарды этих столкновений и смотрим, заметны ли какие-либо аномалии, которые могли бы стать признаком революционной новой частицы», - объясняет Пекканен.

В исследовании используется самый высокий уровень энергии, когда-либо достигнутый в БАК: 13 ТэВ. Для одного протона это довольно много, примерно кинетическая энергия летающего комара. Сложите энергии всех протонов вместе: достаточно, чтобы летать на гигантском самолете.

Эксперименты продолжатся: к концу 2022 года физики ожидают получить в десять раз больше данных.

«До сих пор мы не нашли новую массивную частицу. Это означает, что существует потребность в создании следующего поколения адронных коллайдеров и детекторов для достижения еще более высоких энергий и, надеюсь, долгожданной новой физики».

Погружение в неизвестность что такое физика после бозона Хиггса?

Детектор CMS в Большом адронном коллайдере, с которым Пекканен и тысячи других физиков работают в CERN

Изучение явления сверхпроводимости

Используя ультрахолодные атомы, исследователи из Гейдельбергского университета обнаружили экзотическое состояние материи, когда составляющие частицы объединяются в пары, если они ограничены двумя измерениями. Выводы из области квантовой физики могут иметь важные признаки интригующих явлений сверхпроводимости. Результаты были опубликованы в Science.

Сверхпроводники - это материалы, через которые электричество может протекать без какого-либо сопротивления, когда они будут охлаждены ниже определенной критической температуры. Технологически наиболее подходящий класс материалов с исключительно высокими критическими температурами для сверхпроводимости до сих пор недостаточно изучен. Однако имеются данные о том, что для того, чтобы наступила сверхпроводимость, определенный тип частиц – фермионы - должны образовывать пары. Кроме того, исследования показали, что материалы, которые становятся сверхпроводящими при относительно высоких температурах, имеют слоистые структуры. «Это означает, что электроны в этих системах могут двигаться только в двумерных плоскостях, - объясняет проф. Селим Йохим (Selim Jochim) из Института физики Гейдельбергского университета, возглавляющий проект. - До сих пор мы не понимали, как взаимодействие пар и размерность может привести к более высоким критическим температурам».

Чтобы исследовать этот вопрос, ученые из Центра квантовой динамики провели эксперименты, в которых они ограничивали газ ультрахолодных атомов в двумерных ловушках, которые они создали с помощью фокусированных лазерных лучей. «В твердых материалах, таких как оксиды меди, существует множество различных эффектов и примесей, которые затрудняют изучение этих материалов. Именно поэтому мы используем ультрахолодные атомы для моделирования поведения электронов в твердых телах, что позволяет нам создавать очень чистые образцы и дает нам полный контроль над основными параметрами системы», - сказал Пунит Мурти (Puneet Murthy), аспирант в Центре квантовой динамики в Гейдельбергском университете и один из ведущих авторов этой публикации.

Используя метод, известный как радиочастотная спектроскопия, исследователи измерили реакцию атомов на радиоволновый импульс. Из их ответа они могли точно определить, спарены ли частицы и каким образом. Эти измерения были также выполнены для фермионов, взаимодействующих с различной силой. В ходе экспериментов исследователи обнаружили экзотическое состояние материи. Теория утверждает, что фермионы со слабым взаимодействием должны спариваться при температуре, при которой они становятся сверхпроводящими. Однако когда ученые увеличили взаимодействие между фермионами, они обнаружили, что спаривание происходит при температурах, в несколько раз превышающих критическую температуру.

«Для достижения нашей конечной цели лучшего понимания этих явлений мы начнем с небольших систем, в которых мы объединяем атомом с атомом», - говорит профессор Йохим. В исследовательский проект также входили ученые из Института теоретической физики Гейдельбергского университета и Университета Симона Фрейзера в Ванкувере (Канада).

Изучение явления сверхпроводимости

В известном и хорошо понятном сценарии объединения электронов в пары обусловлено исключительно притяжением между двумя фермионами (зеленые линии). Однако ученые из Гейдельберга обнаружили, что при сильных взаимодействиях между фермионами происходит различный тип спаривания, который сильно зависит от плотности окружающей среды (серые затененные области). Это говорит о том, что в этом состоянии каждая частица не только связана с одной другой частицей, но что есть дополнительные корреляции с другими частицами в ее окружении

Веллитроника ведет к обратимому компьютеру

Во многих двумерных (2D) материалах электроны не только обладают зарядом и спином, но и необычной квантовой характеристикой, известной как «долина» (valley). Проще говоря, электроны, находящиеся во многих 2D-материалах, могут жить в хорошо разделенных энергетических минимумах, а «адрес», описывающий, к каким минимумам относятся эти электроны, известен как «долина». Использование этого «адреса долины» для кодирования и обработки информации формирует ядро нового динамичного исследовательского поля, известного как веллитроника.

Несмотря на то, что долинная технология является кандидатом на технологию «после КМОП» и продолжает наследие закона Мура, ее прогресс сильно затрудняется из-за отсутствия практических проектов для обработки информации на основе долинных параметров. Одной из основных проблем в долинной системе является строительство «долинного фильтра». Долинный фильтр может производить электрический ток, состоящий преимущественно из электронов только из одной конкретной долины. Он служит фундаментальным строительным блоком в веллитронике.

Используя необычные электрические свойства 2D-материалов, таких как малослойный черный фосфор и топологические тонкие пленки Вейля-Дирака, исследователи из Сингапурского университета технологии и дизайна (SUTD) разработали универсальный полностью контролируемый фильтр долины и продемонстрировали в первый раз конкретный рабочий проект веллитронного логического затвора, способного выполнять полный набор двухвходовых булевских логик.

«Особенно примечательным является ранее не исследованный подход к достижению логически-обратимого вычисления путем хранения информации в состоянии долины электрона», - сказал первый автор доктор Еи Синь Ан (Yee Sin Ang) из SUTD.

Обычные цифровые компьютеры обрабатывают информацию логически необратимым образом. Это приводит к серьезной логической проблеме - при получении вычисленного результата конечный пользователь не может однозначно идентифицировать исходные входные данные, на основании которых получен этот результат.

Создание цифровых вычислений логически обратимым не только интересно с точки зрения фундаментальной информатики, но также имеет широкие применения в таких областях, как криптография, обработка сигналов и изображений, квантовые вычисления, и в конечном итоге требуется для повышения энергоэффективности цифровых компьютеров за пределами термодинамическим бутылочным горлышком, известным также как предел Ландауэра. Благодаря огромным потенциалам значительные исследовательские усилия были направлены на поиск практического обратимого компьютера, начиная с 1970-х годов.

Традиционный способ создания логически обратимого компьютера в значительной степени основывается на сложных схемах, которые неизбежно генерируют большое количество дополнительных бит. Эти сложные и расточительные методы не позволили обратимым вычислениям привлечь к себе широкие промышленные и коммерческие интересы.

Ключевой новинкой реверсивного логического затвора на основе веллитроники, предложенного исследователями из SUTD, является то, что устройство сохраняет дополнительные биты входной информации в состоянии долины для достижения логической обратимости. Этот веллитронный подход обходит необходимость сложных схем и значительно снижает генерацию дополнительных бит. Такая простая архитектура также более совместима с постоянно растущими промышленными и коммерческими требованиями к компактным интеллектуальным устройствам с постоянно уменьшающимися физическими размерами.

Веллитроника ведет к обратимому компьютеру

(a) Схематический чертеж веллитронного логического затвора. (b) Работа веллитронного логического затвора. (c-e) Электрические характеристики веллитронного логического затвора. (f) Традиционная обратимая логическая операция. (g) Реверсивная логическая операция на основе веллитроники

Разработан дизайн чипа для кремниевого квантового компьютера

Исследователи из Голландии и Австралии разработали архитектуру микросхемы, которая позволяет выполнять квантовые вычисления с использованием существующих полупроводниковых процессов.

Существует по меньшей мере пять основных подходов к квантовым вычислениям, изучаемых во всем мире: кремниевые спиновые квантовые биты (кубиты), ионные ловушки, сверхпроводящие петли, алмазные вакансии и топологические кубиты. В новом подходе используются кремниевые спиновые кубиты со специальной схемой коррекции ошибок, позволяющей масштабировать архитектуру до миллионов кубитов, которая может быть построена по стандартной технологии КМОП.

«Сегодняшние компьютерные чипы не могут использовать квантовые эффекты, необходимые для решения действительно важных проблем, которые могут решить квантовые компьютеры. Чтобы решить проблемы, которые создают основные глобальные вызовы, такие как изменение климата или сложные болезни, общепризнано, что нам понадобятся миллионы квантовых бит или кубитов, работающих совместно. Для этого нам нужно будет объединять кубиты вместе и интегрировать их, как и в современных микропроцессорных микросхемах. Такова цель этого нового проекта», - сказал д-р Менно Фельдхорст (Menno Veldhorst), лидер группы по квантовой технологии в QuTech - сотрудничестве между Технологическим университетом Делфта и TNO, Нидерландской организацией прикладных научных исследований.

«Наша конструкция включает в себя обычные кремниевые транзисторные переключатели для "включения" операций между кубитами в огромном двумерном массиве с использованием протокола выбора "слово" и "бит" на основе сетки, аналогичного используемому для выбора бит в обычном чипе компьютерной памяти, - сказал он. - Выбирая электроды над кубитом, мы можем управлять спином кубита, который хранит квантовый двоичный код 0 или 1. Выбирая электроды между кубитами, можно выполнить двухкубитные логические взаимодействия, или вычисления, между кубитами».

Для такой конструкции нужны коды с исправлением ошибок, которые используют несколько кубитов для хранения одного фрагмента данных.

«Наш проект включает новый тип кода для исправления ошибок, разработанный специально для спиновых кубитов, и включает в себя сложный протокол операций на миллионах кубитов. Это первая попытка интегрировать в один чип все обычные кремниевые схемы, необходимые для управления и чтения миллионов кубитов, требующихся для квантовых вычислений», - сказал Эндрю Дзурак (Andrew Dzurak), директор Австралийского национального производственного фонда в Университете Нового Южного Уэльса (UNSW) и руководитель программы в Центре передового опыта Австралии по квантовым вычислениям и коммуникационным технологиям (CQC2T).

«Мы ожидаем, что для этого проекта все еще потребуются изменения по мере того как мы будем двигаться к производству, но все ключевые компоненты, которые необходимы для квантовых вычислений, находятся здесь в одном чипе. И это то, что будет необходимо, если мы хотим сделать квантовые компьютеры рабочей лошадкой для расчетов, которые намного превосходят сегодняшние компьютеры», - добавил он. – Проект показывает, как интегрировать миллионы кубитов, необходимых для реализации всех обещаний квантовых вычислений».

Разработан дизайн чипа для кремниевого квантового компьютера

Создан основной элемент для квантового компьютера

Ученые из Университета Констанца, Принстонского университета и Университета Мэриленда разрабатывают стабильные квантовые вентили для двухкубитовых систем из кремния. Квантовый вентиль способен выполнять все необходимые основные операции квантового компьютера. Спин отдельных электронов в кремнии используется в качестве основной единицы хранения.

Пройдет довольно много лет, пока первые квантовые компьютеры будут доступны в универмагах. Даже сегодня, однако, стало очевидно, что квантовый компьютер станет большим скачком в компьютерных технологиях. Однако квантовый компьютер реагирует гораздо более чутко на внешние возмущения, чем обычный. Следовательно, главной целью является создание стабильных «квантовых вентилей» - основного «строительного блока» квантового компьютера. Ученым из Университета Констанца, Принстонского университета и Университета Мэриленда удалось создать стабильные квантовые вентили для двухкубитовых систем. Их квантовые вентили используют отдельные электроны в кремнии для хранения информации, и они могут точно контролировать и считывать взаимодействие двух кубитов. Таким образом, эксперимент включает в себя все необходимые основные операции квантового компьютера.

Исследователи из Констанца, Принстона и Мэриленда используют в качестве основы квантовых битов электронный спин отдельного электрона в кремнии. Направление спина электрона соответствует значению 0 и 1 цифрового бита, но в квантовом состоянии электрон способен хранить больше информации, чем просто 0 и 1.

Поэтому первым достижением исследователей было извлечение одного электрона из миллиардов атомов кремния. «Это было выдающееся достижение наших коллег из Принстона», - говорит проф. Гвидо Буркард (Guido Burkard), который координировал теоретические исследования в Констанце. Исследователи использовали сочетание электромагнитного притяжения и отталкивания для отделения одного электрона от электронного сгустка. Затем отделенные электроны выстраивались точно в линию, и каждая из них помещалась в своего рода «пустоту», где они удерживались в плавающем состоянии.

Следующей задачей было разработать систему управления спином отдельных электронов. Физики из Констанца Гвидо Буркард и Максимилиан Русс (Maximilian Russ) разработали следующий метод: к каждому электрону прикладывается наноэлектрод. Используя градиент магнитного поля, физики могут создавать зависящее от позиции наноэлектрода магнитное поле, с которым могут взаимодействовать отдельные электроны, что позволяет исследователям управлять спином электронов. Таким образом они создали стабильные однокубитовые системы для хранения и считывания информации в виде электронных спинов.

Однако одного кубита недостаточно для создания базовой системы коммутации в квантовом компьютере. Для этого требуются два кубита. Ключевым шагом, предпринятым исследователями Констанца для создания двухкубитовой системы, было объединение состояний двух электронов. Такая связь позволяет строить базовые системы коммутации, с помощью которых могут выполняться все основные операции квантового компьютера..

Это означало, что исследователи из Констанца должны были создать стабильную систему для связи спинов двух отдельных электронов. «Это была самая важная и трудная часть нашей работы», - говорит Гвидо Буркард, который разработал и спланировал этот метод вместе с Максимилианом Руссом. Они разработали систему коммутации, которая координирует спины двух электронов в зависимости друг от друга. Дополнительный наноэлектрод помещается между двумя «пустотами», в которых плавают электроны кремния. Этот электрод управляет связью между двумя электронными спинами. С помощью этого метода физики реализовали стабильный и функциональный базовый процессорный блок квантового компьютера. Точность воспроизведения для одиночных кубитов выше 99 % и около 80 % для двух взаимодействующих кубитов - значительно более стабильные и более точные, чем в предыдущих попытках.

Основным материалом квантового вентиля является кремний. «Очень магнитно-тихий материал с небольшим количеством собственных ядерных спинов», - такими словами обобщил преимущества кремния Гвидо Буркард. Важно, чтобы в атомных ядрах выбранного материала не было слишком много спинов, которые могли бы помешать кубитам. Кремний обладает чрезвычайно низкой спиновой активностью своих атомных ядер и поэтому является особенно подходящим материалом. Еще одно преимущество: кремний является стандартным материалом полупроводниковой технологии и, соответственно, хорошо исследован. Поэтому ученые могут извлечь выгоду из многолетнего опыта работы с материалом.

Создан основной элемент для квантового компьютера

Квантовые вентили двух кремниевых электронов. Два наноэлектрода (VL и VR) управляют спином обоих электронов. Третий наноэлектрод (ВМ) координирует взаимодействие обоих электронов

Долговременное хранение фотонного кубита для глобальной телепортации

Ученые из Института квантовой оптики им. Макса Планка (MPQ) добились длительного времени хранения фотонных квантовых бит, которое преодолевают нижнюю границу для прямой телепортации в глобальной квантовой сети.

В области разработки квантовой памяти для реализации глобальных квантовых сетей ученые Отдела квантовой динамики под руководством профессора Герхарда Ремпе (Gerhard Rempe) в MPQ добились значительного прорыва: они продемонстрировали хранилище с долгоживущим фотонным кубитом на одиночном атоме, захваченном в оптическом резонаторе. Время когерентности хранимого квантового бита превышает 100 миллисекунд и поэтому соответствует требованию создания глобальной квантовой сети, в которой кубиты непосредственно телепортируются между конечными узлами. «Достигнутые нами времена когерентности представляют собой улучшение на два порядка по сравнению с текущим состоянием дел», - сказал профессор Ремпе.

Свет - идеальный носитель для квантовой информации, закодированной на одиночных фотонах, но передача на большие расстояния неэффективна и ненадежна из-за потерь. Для предотвращения потери драгоценных квантовых бит между конечными узлами сети может быть использована прямая телепортация. Во-первых, между узлами нужно создать удаленное запутывание; затем подходящее измерение на стороне отправителя вызывает «жуткий эффект на расстоянии», то есть мгновенный перенос состояния кубита на узел приемника. Однако квантовый бит может вращаться, когда он достигает приемника и, следовательно, должен быть возвращен в прежнее состояние. С этой целью необходимую информацию нужно классически передать от отправителя к получателю. Это занимает определенное количество времени, в течение которого кубит должен быть сохранен в приемнике. Для двух сетевых узлов на наибольшем расстоянии на Земле это соответствует временному интервалу в 66 миллисекунд.

В 2011 году группа профессора Ремпе продемонстрировала успешную технику хранения фотонного квантового бита на одном атоме. Атом находится в центре оптической полости, которая образована двумя зеркалами высокой чистоты, и удерживается на месте стоячей световой волной. Один фотон, несущий квантовый бит в когерентной суперпозиции двух поляризационных состояний, начинает сильно взаимодействовать с одним атомом, когда он попадает в резонатор. В конечном счете фотон поглощается атомом, а квантовый бит переносится в когерентную суперпозицию двух атомных состояний. Задача состоит в том, чтобы поддерживать атомную суперпозицию как можно дольше. В предыдущих экспериментах время хранения ограничивалось несколькими сотнями микросекунд.

«Основной проблемой для хранения квантовых бит является феномен расфазировки», - объясняет аспирант Стефан Лангенфельд (Stefan Langenfeld). - Характеристика квантового бита является относительной фазой волновых функций состояний атомов, когерентно наложенных. К сожалению, в реальных экспериментах это фазовое отношение теряется с течением времени в основном из-за взаимодействия с флуктуирующими магнитными полями».

В своем текущем эксперименте ученые приняли новые меры для противодействия влиянию этих колебаний. Как только информация передается от фотона к атому, совокупность одного атомного состояния когерентно переносится в другое состояние. Это делается с помощью пары лазерных лучей для индуцирования комбинационного перехода Рамана. В этой новой конфигурации сохраненный кубит в 500 раз менее чувствителен к флуктуациям магнитного поля.

До извлечения сохраненного фотонного квантового бита переход Рамана обращается. При времени хранения 10 миллисекунд перекрытие сохраненного фотона с извлеченным фотоном составляет около 90%. Это означает, что простой переход атомного кубита в менее чувствительную конфигурацию состояния увеличивает время когерентности в 10 раз. Другой фактор 10 был получен путем добавления так называемого «спинового эха» к экспериментальной последовательности. Здесь совокупность двух атомных состояний, используемых для хранения, обменивается в середине времени хранения. «Хотя предполагаемая глобальная квантовая сеть, которая обеспечивает безопасный и надежный перенос квантовой информации, по-прежнему требует большого объема исследований, долговременное хранение квантовых бит является одной из ключевых технологий, и мы считаем, что нынешние улучшения значительно приблизят ее реализацию» - отметил аспирант Маттиас Кёрбер (Matthias Körber).

Долговременное хранение фотонного кубита для глобальной телепортации

Художественное изображение глобальной телепортации квантовых бит

Физики взволнованы открытием новой формы вещества - экситония

Профессор физики Питер Аббамонте (Peter Abbamonte) и аспиранты Аншул Когар (Anshul Kogar) и Минди Рак (Mindy Rak) при участии коллег из Иллинойса, Калифорнийского университета, Беркли и Амстердамского университета доказали существование загадочной новой формы материи, которая смутила ученых, поскольку она была впервые предсказана почти 50 лет назад.

Команда изучила нелегированные кристаллы часто анализируемого диселенида дихалкогенида титана (1T-TiSe2) и воспроизвела неожиданные результаты пять раз на разных сколотых кристаллах. Профессор физики Яспер ван Вецель (Jasper van Wezel) из Амстердамского университета предоставил критически важную теоретическую интерпретацию экспериментальных результатов.

Экситоний представляет собой конденсат – он проявляет макроскопические квантовые явления подобно сверхпроводнику, сверхтекучей среде или изолирующему электронному кристаллу. Он состоит из экситонов, квазичастиц, которые образуются в очень странном квантовомеханическом объединении, а именно, освобожденного электрона и оставшейся после него дырки.

Это бросает вызов разуму, но оказывается, что когда электрон, локализованный на краю валентной зоны с заполненными электронами в полупроводнике, возбуждается и перескакивает через энергетическую щель в зону проводимости, он оставляет за собой "дырку" в валентной зоне. Эта дырка ведет себя так, как если бы это была частица с положительным зарядом, и она притягивает освобожденный электрон. Когда электрон из зоны проводимости с его отрицательным зарядом соединяется с дыркой, они образуют составную частицу, бозон, называемый экситоном. Фактически, частицеподобные атрибуты дырки относятся к коллективному поведению окружающих электронов. Но это понимание делает пару не менее странной.

До сих пор у ученых не было экспериментальных приборов, чтобы определенно отличить, действительно ли то, что выглядело, как экситоний, не было фазой Пайерлса. Хотя она полностью не связана с образованием экситонов, фазы Пайерлса и экситонная конденсация имеют одинаковую симметрию и аналогичные наблюдаемые - сверхрешетку и открытие одночастичной энергетической щели.

Проф. Аббамонте и его команда смогли преодолеть этот вызов, используя новую технику, которую они разработали, – спектроскопию характеристических потерь энергии электронами с разрешенным импульсом (momentum-resolved electron energy-loss spectroscopy, M-EELS). M-EELS более чувствительна к возбуждениям валентной зоны, чем методы неупругого рентгеновского или нейтронного рассеяния. Когар скомбинировал спектрометр EEL, который сам по себе мог измерять только траекторию электрона, давая энергию и импульс, которые он потерял, с гониометром, который позволяет команде точно измерять импульс электрона в реальном пространстве.

Благодаря своей новой методике группа впервые смогла измерить коллективные возбуждения низкоэнергетических бозонных частиц, парных электронов и дырок, независимо от их импульса. Более конкретно, команда достигла впервые наблюдаемой в каком-либо материале предшественника экситонной конденсации мягкой плазмонной фазы, которая возникла, когда материал приблизился к его критической температуре 190 Кельвина. Эта мягкая плазмонная фаза является «дымящимся пистолетом», свидетельствующим о конденсации экситонов в трехмерном твердом теле и первом в истории окончательном доказательстве открытия экситония.

«Этот результат имеет космическое значение, – утверждает проф. Аббамонте. - С тех пор, как термин "экситоний" был изобретен в 1960-х годах физиком-теоретиком Бертом Гальпериным (Bert Halperin) из Гарварда, физики пытались продемонстрировать его существование. Теоретики обсудили, будет ли он изолятором, идеальным проводником или сверхтекучим, – с некоторыми убедительными аргументами со всех сторон. С 1970-х годов многие экспериментаторы опубликовали доказательства существования экситония, но их результаты не были окончательным доказательством и в равной степени объяснялись традиционным структурным фазовым переходом».

Когар признает, что обнаружение экситония не было оригинальной мотивацией для исследования – команда намеревалась проверить свой новый метод M-EELS на кристалле, который был легко доступен, – он выращивался в Иллинойсе бывшим аспирантом Юном Ил Джо (Young Il Joe), ныне в NIST. Но он подчеркивает, что не случайно экситоний был главным интересом.

«Это открытие было впечатляющим, но Питер и я разговаривали 5 или 6 лет назад, рассматривая именно эту тему мягкого электронного режима, хотя в другом контексте - кристаллической нестабильности Вигнера. Поэтому, хотя мы не сразу разобрались, почему это происходило в TiSe2, мы знали, что это был важный результат – тот, который зарождался в наших умах в течение нескольких лет».

Это фундаментальное исследование имеет большие перспективы для раскрытия дальнейших квантовомеханических тайн: ведь изучение макроскопических квантовых явлений – это то, что сформировало наше понимание квантовой механики. Оно также могло бы пролить свет на переход металл-диэлектрик в зонах твердых тел, в котором, как полагают, участвует экситонная конденсация. Однако пока возможные технологические применения экситония являются чисто умозрительными.

Физики взволнованы открытием новой формы вещества - экситония

Художественное представление экситонов в твердом теле. Эти возбуждения можно рассматривать как распространяющиеся доменные стенки (желтые) в противоположность от упорядоченного твердого фона экситонов (синий).

 
 
IDC
Реклама

  •  Home  •  Рынок  •  ИТ-директор  •  CloudComputing  •  Hard  •  Soft  •  Сети  •  Безопасность  •  Наука  •  IoT