Ожидается, что квантовые компьютеры будут революционными и потенциально повлияют на многие отрасли промышленности. Поэтому исследователи из Великобритании и Нидерландов решили изучить две совершенно разные квантовые задачи: взломать шифрование биткойнов и смоделировать молекулу, ответственную за биологическую фиксацию азота.

В AVS Quantum Science из AIP Publishing исследователи описывают инструмент, который они создали, чтобы определить, насколько большим должен быть квантовый компьютер для решения подобных задач и сколько времени это займет.

«Большая часть существующей работы в этой области сосредоточена на конкретной аппаратной платформе, сверхпроводящих устройствах, подобных тем, над которыми работают IBM и Google, — сказал Марк Уэббер (Mark Webber) из Университета Сассекса. - Различные аппаратные платформы будут сильно различаться по ключевым характеристикам оборудования, таким как скорость операций и качество управления кубитами».

Многие из наиболее многообещающих вариантов использования квантовых преимуществ потребуют квантового компьютера с исправлением ошибок. Исправление ошибок позволяет запускать более длинные алгоритмы, компенсируя присущие квантовому компьютеру ошибки, но это происходит за счет большего количества физических кубитов.

«Наш инструмент автоматизирует расчет затрат на исправление ошибок в зависимости от ключевых характеристик оборудования, — сказал Уэббер. - Чтобы квантовый алгоритм работал быстрее, мы можем выполнять больше операций параллельно, добавляя больше физических кубитов. Мы вводим дополнительные кубиты по мере необходимости для достижения желаемого времени выполнения, которое критически зависит от скорости операций на уровне физического оборудования».

Большинство аппаратных платформ квантовых вычислений ограничены, потому что только кубиты, расположенные рядом друг с другом, могут напрямую взаимодействовать. В других платформах, таких как некоторые конструкции с захваченными ионами, кубиты не находятся в фиксированных положениях, а вместо этого могут физически перемещаться — это означает, что каждый кубит может напрямую взаимодействовать с широким набором других кубитов.

«Мы исследовали, как лучше всего использовать эту возможность соединения удаленных кубитов с целью решения проблем за меньшее время с меньшим количеством кубитов, — сказал Уэббер. - Мы должны продолжать адаптировать стратегии исправления ошибок, чтобы использовать сильные стороны базового оборудования, что может позволить нам решать очень важные проблемы с квантовым компьютером меньшего размера, чем предполагалось ранее».

Квантовые компьютеры экспоненциально более эффективны в взломе многих методов шифрования, чем классические компьютеры. Мир использует шифрование RSA для большей части своей безопасной связи. Шифрование RSA и тот, который использует Биткойн (алгоритм цифровой подписи на эллиптических кривых), однажды будут уязвимы для атаки квантовых вычислений, но сегодня даже самый большой суперкомпьютер никогда не может представлять серьезную угрозу.

Исследователи подсчитали, какого размера должен быть квантовый компьютер, чтобы взломать шифрование сети Биткойн в течение небольшого промежутка времени, когда он действительно будет представлять угрозу для этого — между его объявлением и интеграцией в блокчейн. Чем больше комиссия, уплачиваемая за транзакцию, тем короче будет это окно, но оно, вероятно, колеблется от минут до часов.

«Современные квантовые компьютеры имеют только 50-100 кубитов -, — сказал Уэббер. - Наша предполагаемая потребность от 30 [миллионов] до 300 миллионов физических кубитов предполагает, что Биткойн на данный момент следует считать защищенным от квантовой атаки, но устройства такого размера обычно считаются достижимыми, и будущие улучшения могут еще больше снизить требования.

«Сеть Биткойн может провести «хард-форк» по методу квантово-безопасного шифрования, но это может привести к проблемам с масштабированием сети из-за повышенных требований к памяти. Четыре года назад мы подсчитали, что устройству с захваченными ионами потребуется миллиард физических кубитов, чтобы взломать шифрование RSA, что требует устройства площадью 100 на 100 кв. м, — сказал Уэббер. - Теперь, с улучшениями по всем направлениям, это может привести к резкому сокращению площади до 2,5 на 2,5 кв. м».

Схема квантового компьютера на захваченных ионах

Weebit Nano Limited совместно со своим партнером по разработке CEA-Leti продемонстрировала свои первые операционные килобитные матричные коммутаторы ReRAM, что стало ключевой вехой на пути к созданию дискретных (автономных) чипов энергонезависимой памяти (NVM).

Архитектура 1T1R (один транзистор — один резистор), используемая во встроенных массивах ReRAM, недостаточна для поддержки больших массивов ячеек памяти, необходимых в дискретных (автономных) микросхемах памяти. По этой причине матричные переключатели Weebit были разработаны с использованием архитектуры 1S1R (один селектор — один резистор), которая допускает высокую плотность, необходимую для дискретных микросхем. Такая архитектура также позволяет размещать массивы в трехмерных слоях, что обеспечивает еще более высокую плотность.

Архитектура 1S1R ReRAM имеет потенциальные применения в памяти класса хранения, энергонезависимой памяти и в качестве замены флэш-памяти NOR. Она также идеально подходит для архитектур ИИ, таких как вычисления в памяти и нейроморфные вычисления.

Комментируя последнюю веху развития технологии, СЕО Коби Ханох (Coby Hanoch) сказал: «Weebit Nano продолжает добиваться значительного технического и коммерческого прогресса в секторе встраиваемых систем — недавно мы успешно сократили нашу технологию ReRAM до 28 нм. Теперь, с созданием наших первых кросс-массивов в килобитах, мы продолжаем двигаться к дискретной памяти.

Благодаря своей простой структуре ячейка ReRAM является небольшой, быстрой и простой в стеке, а также потребляет очень мало энергии. Ключевой отраслевой задачей при разработке этой технологии на сегодняшний день является выбор подходящего резистивного материала, который позволяет изменять его химическую или физическую структуру, а затем способен восстанавливать эту структуру воспроизводимым, малоизменчивым и экономически эффективным способом.

Технология Weebit ReRAM, разработанная совместно с партнером по исследованиям и разработкам CEA-Leti, решает эти проблемы и обладает уникальными преимуществами, которые делают ее лучшей энергонезависимой памятью в своем классе с точки зрения стоимости, производительности и надежности.

Weebit недавно подала несколько новых патентов вместе с CEA-Leti, предназначенных для дальнейшей защиты своей интеллектуальной собственности ReRAM, с акцентом на архитектуру 1S1R и программирование селекторных ячеек».

Архитектура 1S1R crossbar ReRAM обеспечивает множество потенциальных применений, включая дискретные микросхемы памяти и нейроморфные вычисления

Исследователи Массачусетского технологического института создали метод, который может автоматически описывать роли отдельных нейронов в нейронной сети с помощью естественного языка. На представленном рисунке техника смогла определить «верхнюю границу горизонтальных объектов» на фотографиях, которые выделены белым цветом.

Нейронные сети иногда называют черными ящиками, потому что, несмотря на то, что они могут превосходить людей в определенных задачах, даже исследователи, которые их разрабатывают, часто не понимают, как и почему они работают так хорошо. Но если нейронная сеть используется за пределами лаборатории (например, для классификации медицинских изображений, которые могут помочь в диагностике сердечных заболеваний) знание того, как работает модель, помогает исследователям предсказать, как она будет вести себя на практике.

Ученые из Массачусетского технологического института разработали метод, который проливает свет на внутреннюю работу нейронных сетей черного ящика. Смоделированные на основе человеческого мозга нейронные сети организованы в слои взаимосвязанных узлов или «нейронов», которые обрабатывают данные. Новая система может автоматически создавать описания этих отдельных нейронов на английском или другом естественном языке.

В своей статье команда Эвана Эрнандеса показывает, что этот метод можно использовать для аудита нейронной сети, чтобы определить, чему она научилась, или даже для редактирования сети путем выявления, а затем отключения бесполезных или неправильных нейронов.

«Мы хотели создать метод, в котором практик машинного обучения может дать этой системе свою модель, и она расскажет ему все, что знает об этой модели, с точки зрения нейронов модели, на доступном языке. Это поможет вам ответить на основной вопрос: «Есть ли что-то, о чем моя модель знает, чего я не ожидал?», отмечает Эван Эрнандес (Evan Hernandez), аспирант Лаборатории компьютерных наук и ИИ Массачусетского технологического института (CSAIL).

Большинство существующих методов, помогающих специалистам по машинному обучению понять, как работает модель, либо описывают всю нейронную сеть, либо требуют от исследователей определения концепций, на которых, по их мнению, могут сосредоточиться отдельные нейроны.

Разработанная Эрнандесом и его коллегами система, получившая название MILAN (Mutual-Information Guided Linguistic Annotation of Neuronsс - лингвистическая аннотация нейронов, управляемая взаимной информацией), совершенствует эти методы, поскольку не требует предварительного списка понятий и может автоматически генерировать описания всех нейронов в сети на естественном языке. Это особенно важно, поскольку одна нейронная сеть может содержать сотни тысяч отдельных нейронов.

Команда сравнила MILAN с другими моделями и обнаружила, что она дает более подробные и точные описания, но исследователей больше интересовало то, как она может помочь в ответах на конкретные вопросы о моделях компьютерного зрения.

Во-первых, они использовали MILAN, чтобы проанализировать, какие нейроны являются наиболее важными в нейронной сети. Они генерировали описания для каждого нейрона и сортировали их на основе слов в описаниях. Они медленно удаляли нейроны из сети, чтобы посмотреть, как изменилась ее точность, и обнаружили, что нейроны, в описании которых есть два совершенно разных слова (например, вазы и окаменелости), менее важны для сети.

MILAN также применили для аудита моделей, чтобы определить, узнали ли они что-то неожиданное. Исследователи взяли модели классификации изображений, которые были обучены на наборах данных, в которых человеческие лица были размыты, запустили MILAN и подсчитали, сколько нейронов, тем не менее, чувствительны именно к таким объектам.

В третьем эксперименте команда использовала MILAN для редактирования нейронной сети, находя и удаляя нейроны, которые обнаруживали плохие корреляции в данных, что привело к 5-процентному увеличению точности сети на входных данных, демонстрирующих проблематичную корреляцию.

Хотя исследователи были впечатлены тем, насколько хорошо MILAN показал себя в этих трех приложениях, модель иногда дает описания, которые все еще слишком расплывчаты, или делает неверное предположение, когда не знает концепцию, которую она должна идентифицировать. Ученые планируют устранить эти ограничения в будущей работе.

«Это подход к интерпретируемости, который начинается снизу вверх. Цель состоит в том, чтобы генерировать открытые композиционные описания функций с помощью естественного языка. Мы хотим использовать выразительную силу человеческого языка, чтобы генерировать более естественные и богатые описания того, что делают нейроны. Меня больше всего радует возможность обобщить этот подход на различные типы моделей», заявила постдок из CSAIL Сара Шветтманн (Sarah Schwettmann).

Энергетические системы, которые питают нашу жизнь, также производят тепло впустую — например, тепло, излучаемое трубами горячей воды в зданиях и выхлопными трубами автомобилей. По словам ученых из штата Пенсильвания и Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии, новый гибкий термоэлектрический генератор может оборачиваться вокруг труб и других горячих поверхностей и преобразовывать отработанное тепло в электричество более эффективно, чем это было возможно ранее.

«Большое количество тепла от энергии, которую мы потребляем, по сути, выбрасывается, часто рассеивается прямо в атмосферу, — сказал Шашанк Прия (Shashank Priya), заместитель вице-президента по исследованиям и профессор материаловедения и инженерии в Университете штата Пенсильвания. - У нас не было экономически эффективных способов с конформными формами улавливать и преобразовывать это тепло в полезную энергию. Это исследование открывает эту дверь».

Ученые из штата Пенсильвания работают над улучшением характеристик термоэлектрических генераторов — устройств, которые могут преобразовывать разницу температур в электричество. По словам исследователей, когда устройства размещаются рядом с источником тепла, электроны, движущиеся от горячей стороны к холодной, создают электрический ток.

В предыдущей работе команда создала жесткие устройства, которые были более эффективными, чем коммерческие устройства, в высокотемпературных приложениях. По словам ученых, теперь команда разработала новый производственный процесс для производства гибких устройств, обеспечивающих более высокую выходную мощность и эффективность.

«Эти результаты открывают многообещающий путь к широкому использованию термоэлектрической технологии в приложениях для рекуперации отработанного тепла, — сказал Веньджи Ли (Wenjie Li), доцент-исследователь из Университета штата Пенсильвания. - Это может оказать значительное влияние на разработку практических генераторов тепла в электричество».

По словам ученых, гибкие устройства лучше подходят для наиболее привлекательных источников отработанного тепла, таких как трубы в промышленных и жилых зданиях и на транспортных средствах. И их не нужно приклеивать к поверхностям, как традиционные жесткие устройства, что еще больше снижает эффективность.

В ходе испытаний новое устройство продемонстрировало на 150% более высокую удельную мощность, чем другие современные устройства, сообщили ученые в Applied Materials & Interfaces. Увеличенная версия, площадью чуть более 3 квадратных дюймов, сохраняла преимущество в удельной мощности на 115%. По словам ученых, эта версия продемонстрировала общую выходную мощность 56,6 Вт при размещении на горячей поверхности.

«Подумайте о промышленной электростанции с трубами длиной в сотни футов, — сказал Прия. - Если вы сможете обернуть эти устройства вокруг такой большой площади, вы сможете генерировать киловатты энергии из потраченного впустую тепла, которое обычно просто выбрасывается. Вы можете преобразовать сбрасываемое тепло во что-то полезное».

При создании нового устройства ученые разместили шесть пар вдоль тонкой полоски. Затем они использовали гибкую металлическую фольгу, чтобы соединить 12 полос вместе, создав устройство с 72 парами. По словам ученого, между слоями каждой полоски был использован жидкий металл для повышения производительности устройства.

«По мере масштабирования этих устройств вы часто теряете удельную мощность, что затрудняет изготовление крупногабаритных термоэлектрических генераторов, — сказал Бед Пудель (Bed Poudel), доцент-исследователь из Университета штата Пенсильвания. - Это иллюстрирует исключительную производительность нашего устройства с 72 парами».

По словам ученых, устройство с 72 парами показало самую высокую выходную мощность и удельную мощность устройства из одного термоэлектрического генератора.

Промежутки между полосами обеспечивают гибкость, чтобы соответствовать формам, таким как трубы. По словам ученых, зазоры также позволяют гибко изменять коэффициент заполнения или соотношение между площадью термоэлектрического материала и площадью устройства, что можно использовать для оптимизации термоэлектрических устройств для различных источников тепла.

Новаторский тип запатентованной компьютерной памяти, известный как ULTRARAM, был продемонстрирован на кремниевых пластинах, что является важным шагом на пути к ее крупномасштабному производству.

ULTRARAM — это новый тип памяти с исключительными свойствами. Он сочетает в себе энергонезависимость памяти для хранения данных, такой как флэш-память, со скоростью, энергоэффективностью и долговечностью рабочей памяти, такой как DRAM. Для этого он использует уникальные свойства составных полупроводников, обычно используемых в фотонных устройствах, таких как светодиоды, лазерные диоды и инфракрасные детекторы, но не в цифровой электронике, которая является прерогативой кремния.

Теперь, благодаря сотрудничеству физического и инженерного факультетов Ланкастерского университета и физического факультета Уорвика, ULTRARAM™ впервые реализована на кремниевых пластинах.

Профессор Манус Хейн (Manus Hayne) с факультета физики в Ланкастере, который возглавляет работу, сказал: «ULTRARAM на кремнии — это огромный шаг вперед в наших исследованиях, позволяющий преодолеть очень серьезные проблемы материалов, связанные с большим несовпадениям кристаллических решеток, переходом от элементарных полупроводников к составным полупроводникам и различиями при термическом сжатии».

Цифровая электроника, являющаяся основой всех гаджетов, от смарт-часов и смартфонов до персональных компьютеров и центров обработки данных, использует процессоры и чипы памяти, изготовленные из полупроводникового кремния.

Из-за зрелости отрасли производства кремниевых микросхем и многомиллиардных затрат на строительство заводов по производству микросхем внедрение любой цифровой электронной технологии на кремниевых пластинах имеет важное значение для ее коммерциализации.

Примечательно, что ULTRARAM на кремниевых устройствах фактически превосходит предыдущие воплощения технологии на полупроводниковых пластинах из соединения GaAs, демонстрируя (экстраполированное) время хранения данных не менее 1000 лет, высокую скорость переключения (для размера устройства) и выносливость при циклическом стирании программы не менее 10 миллионов, что в сто—тысячу раз лучше, чем флэш.

Корпорация Intel изложила свой путь к более чем 10-кратному увеличению плотности межсоединений в корпусах с гибридным соединением, увеличению площади транзисторов на 30-50% и новым технологиям квантовых вычислений на встрече IEEE International Electron Devices Meeting (IEDM).

«В Intel исследования и инновации, необходимые для продвижения закона Мура, никогда не прекращаются. На выставке IEDM наша исследовательская группа по компонентам поделится ключевыми достижениями в области создания революционных технологий обработки и упаковки для удовлетворения ненасытного спроса на мощные вычисления, от которых зависят наша промышленность и общество. Это результат неустанного труда наших лучших ученых и инженеров. Они по-прежнему находятся в авангарде инноваций для соблюдения закона Мура», — сказал Роберт Чау (Robert Chau), старший научный сотрудник Intel и генеральный менеджер по исследованиям компонентов.

Исследовательская группа компонентов работает в трех ключевых областях: технологии масштабирования для производства большего количества транзисторов; новые возможности кремния для увеличения мощности и памяти и исследование новых концепций в физике, чтобы революционизировать то, как мир выполняет вычисления.

Многие из текущих полупроводниковых продуктов Intel начались с работы Component Research, включая напряженный кремний, металлические затворы Hi-K, транзисторы FinFET, RibbonFET и упаковку, включая EMIB и Foveros Direct.

Исследователи компании наметили решения для проектирования, обработки и сборки межсоединений с гибридным соединением, увидев способ 10-кратного повышения плотности межсоединений в упаковке. Еще в июле Intel объявила о планах представить Foveros Direct, обеспечивающий бампинг менее 10 микрон (бампинг — это усовершенствованная технология обработки на уровне пластин, при которой «выпуклости» или «шарики» из припоя формируются на пластинах в форме цельной пластины до того, как пластина будет разделена на отдельные чипы. Недавнее развитие технологий позволило широко использовать этот процесс в современных приложениях бытовой электроники). Это обеспечивает увеличение плотности межсоединений для 3D-стеков на порядок. Чтобы экосистема могла воспользоваться преимуществами усовершенствованной упаковки, Intel также призывает к созданию новых отраслевых стандартов и процедур тестирования, позволяющих создать гибридную экосистему чипсетов.

Помимо своего универсального RibbonFET, Intel разрабатывает подход к объединению нескольких КМОП-транзисторов, целью которого является максимальное увеличение логического масштабирования на 30-50% для дальнейшего совершенствования закона Мура за счет установки большего количества транзисторов на квадратный миллиметр.

Intel обращает внимание на эпоху ангстремов и квантовые вычисления в своих технологических тенденциях

Компании Far North Digital-True North Global Networks и Cinia объявили о планах совместного строительства волоконно-оптической кабельной системы, соединяющей Европу и Азию через Арктику. Alcatel Submarine Networks (ASN) возьмет на себя руководство проектированием и установкой проекта.

Far North Digital, североамериканская компания, специализирующаяся на развитии телекоммуникационной инфраструктуры, и финский поставщик сетей, кибербезопасности и программного обеспечения Cinia подписали «Меморандум о взаимопонимании» (MoU) по строительству подводного оптоволоконного кабеля. Совместная сеть будет проходить из Японии через Северо-Западный проход в Европу с площадками на Аляске и в канадской Арктике. Европейские площадки планируются в Норвегии, Финляндии и Ирландии. 

Волоконно-оптическая кабельная система протяженностью 16 500 км проходит через геополитически стабильные и сейсмически безопасные регионы и значительно сокращает оптическое расстояние между Азией и Европой, тем самым сводя к минимуму задержку сигнала.
 

True North Global Networks работает с организациями коренных народов и местными органами власти над созданием филиалов в арктической Канаде, предоставляя местным сетям прямое подключение к глобальному Интернету. 

«Эта кабельная система — это больше, чем способ ускорить и повысить безопасность телекоммуникаций между странами, это мост через цифровую пропасть, предоставляющий северным сообществам лучшие возможности для устойчивого самоопределения посредством экономического развития, расширенных образовательных возможностей и улучшенных доступ к здравоохранению. Кроме того, он будет служить платформой, которая предлагает науке новые и расширенные возможности для проведения исследований в области изменения климата», — говорит Гай Хаузер (Guy Houser), технический директор Far North Digital.

«Спрос на безопасную и быструю международную связь с новыми разнообразными маршрутами растет. Охватывая три крупнейших в мире континента, использующих Интернет, оптоволокно Far North станет настоящим глобальным предприятием», — отметил Ари-Юсси Кнаапила (Ari-Jussi Knaapila), генеральный директор Cinia. 

«Арктическая связь между Японией и Северной Европой уже давно является общей страстью Японии и Китая, поскольку разнообразие международных связей жизненно важно для островной страны. Эта связь является отличной поддержкой для программы развития цифровизации правительства Японии», — говорит Джун Мурай (Jun Murai), профессор Университета Кейо и специальный советник Кабинета министров Японии. 

Срок ввода кабеля в эксплуатацию - к концу 2025 года. Сметная стоимость проекта составляет примерно 1,48 млрд. канадских долларов. Лидер отрасли ASN был выбран в качестве ведущего партнера EPC (проектирование, закупки, строительство) для проекта.

Волоконно-оптическая кабельная система протяженностью 16 500 км проходит через геополитически стабильные и сейсмически безопасные регионы и значительно сокращает оптическое расстояние между Азией и Европой

Международная группа ведущих ученых во главе с физиком из Падерборна проф. Клаусом Йонсом (Klaus Jöns) составила всесторонний обзор потенциала, глобальных перспектив, предыстории и границ интегрированной фотоники. Статья — дорожная карта для интегральных фотонных схем для квантовых технологий — была опубликована в журнале Nature Reviews Physics. В обзоре описаны основные технологии, представлено текущее состояние исследований и описаны возможные приложения в будущем.

«Фотонно-квантовые технологии достигли ряда важных вех за последние 20 лет. Но масштабируемость остается серьезной проблемой, когда дело доходит до преобразования результатов из лаборатории в повседневные приложения. Приложениям часто требуется более 1000 оптических компонентов, каждый из которых должен быть индивидуально оптимизирован. Однако фотонные квантовые технологии могут выиграть от параллельных разработок в области классической фотонной интеграции», — объясняет проф. Йонс.

По словам ученых, необходимы дополнительные исследования. «Интегрированные фотонные платформы, требующие различных материалов, конструкций компонентов и стратегий интеграции, создают множество проблем, в частности, потери сигнала, которые нелегко компенсировать в квантовом мире», — продолжает проф. Йонс. В своей статье авторы заявляют, что сложный инновационный цикл для интегрированных фотонных квантовых технологий (IPQT) требует инвестиций, решения конкретных технологических задач, развития необходимой инфраструктуры и дальнейшего структурирования в направлении зрелой экосистемы. Они пришли к выводу, что растет спрос на ученых и инженеров, обладающих существенными знаниями в области квантовой механики и ее технологических приложений.

Интегрированная квантовая фотоника использует классические интегрированные фотонные технологии и устройства для квантовых приложений, при этом интеграция на уровне микросхем имеет решающее значение для масштабирования и преобразования лабораторных демонстрационных технологий в реальные технологии. Проф. Йонс объясняет: «Усилия в области интегрированной квантовой фотоники широкомасштабны и включают разработку квантово-фотонных схем, которые могут быть монолитно, гибридно или гетерогенно интегрированы. В нашей статье мы обсуждаем, какие приложения могут стать возможными в будущем с помощью преодоление существующих препятствий».

Ученые также представляют обзор исследовательской среды и обсуждают инновации и рыночный потенциал. Цель состоит в том, чтобы стимулировать дальнейшие исследования и финансирование исследований путем определения не только научных вопросов, но и проблем, связанных с развитием необходимой производственной инфраструктуры и цепочек поставок для вывода технологий на рынок.

По мнению ученых, необходимо срочно вкладывать значительные средства в образование, чтобы подготовить следующее поколение инженеров IPQT. Проф. Йонс говорит: «Независимо от типа технологии, которая будет использоваться в коммерческих квантовых устройствах, основополагающие принципы квантовой механики одни и те же. Мы прогнозируем растущий спрос на ученых и инженеров, обладающих существенными знаниями как в области квантовой механики, так и в ее технологических приложениях. Инвестиции в образование следующего поколения будут способствовать расширению научных и технологических границ».

Квантовые эффекты в сверхпроводниках могут дать полупроводниковой технологии новый поворот. Исследователи из Института Пауля Шеррера (PSI) и Корнельского университета в штате Нью-Йорк определили композитный материал, который может использовать для квантовых устройств полупроводниковую технологию, делая электронные компоненты значительно более мощными. Они публикуют свои выводы в журнале Science Advances.

Наша текущая электронная инфраструктура базируется в основном на полупроводниках. Этот класс материалов появился примерно в середине 20 века и с тех пор постоянно совершенствуется. В настоящее время наиболее важными задачами полупроводниковой электроники являются дальнейшие улучшения, которые позволят увеличить пропускную способность передачи данных, энергоэффективность и информационную безопасность. Использование квантовых эффектов, вероятно, станет прорывом.

Особого внимания заслуживают квантовые эффекты, которые могут возникать в сверхпроводящих материалах. Тот факт, что квантовые эффекты в сверхпроводниках можно использовать, уже был продемонстрирован в первых квантовых компьютерах.

Чтобы найти возможных преемников современной полупроводниковой электроники, некоторые исследователи, в том числе группа из Корнельского университета, изучают так называемые гетеропереходы, то есть структуры, состоящие из двух разных типов материалов. В частности, они рассматривают слоистые системы из сверхпроводящих и полупроводниковых материалов. «В течение некоторого времени было известно, что для этого необходимо выбирать материалы с очень похожей кристаллической структурой, чтобы не возникало напряжения в кристаллической решетке на контактной поверхности», - объясняет Джон Райт, создавший гетеропереходы для нового исследования в Корнельском университете.

Двумя подходящими материалами в этом отношении являются сверхпроводящий нитрид ниобия (NbN) и полупроводниковый нитрид галлия (GaN). Последний уже играет важную роль в полупроводниковой электронике и поэтому хорошо изучен. Однако до сих пор было неясно, как именно электроны ведут себя на границе контакта этих двух материалов, и возможно ли, что электроны из полупроводника вмешиваются в сверхпроводимость и, таким образом, уничтожают квантовые эффекты.

«Когда я натолкнулся на исследования группы в Корнелле, я знал, здесь, в PSI, мы можем найти ответ на этот фундаментальный вопрос с помощью наших спектроскопических методов на пучке канала ADRESS», - объясняет Владимир Строчов, исследователь из Synchrotron Light Source в PSI.

Так пришли к сотрудничеству две группы. В своих экспериментах они в конечном итоге обнаружили, что электроны в обоих материалах «держатся сами по себе». Никакого нежелательного взаимодействия, которое потенциально могло бы испортить квантовые эффекты, не происходит.

Исследователи PSI использовали метод, хорошо зарекомендовавший себя на канале ADRESS SLS: фотоэлектронная спектроскопия с угловым разрешением с использованием мягкого рентгеновского излучения - или для краткости SX-ARPES. «С помощью этого метода мы можем визуализировать коллективное движение электронов в материале», - объясняет Тяньлунь Ю (Tianlun Yu), научный сотрудник группы Владимира Строчова, которая проводила измерения на гетероструктуре NbN/GaN.

Метод SX-ARPES предоставляет своего рода карту, пространственные координаты которой показывают энергию электронов в одном направлении и их импульс - в другом. «В этом представлении электронные состояния отображаются на карте в виде ярких полос», - объясняет Ю. Важнейший результат исследования: на границе материала между нитридом ниобия NbN и нитридом галлия GaN соответствующие «полосы» четко отделены друг от друга. Это говорит о том, что электроны остаются в своем исходном материале и не взаимодействуют с электронами в соседнем материале.

«Самый важный вывод для нас состоит в том, что сверхпроводимость в нитриде ниобия остается неизменной, даже если размещать ее атом за атомом, чтобы она соответствовала слою нитрида галлия, - говорит Владимир Строчов. - С этим мы смогли предоставить еще одну часть головоломки, которая подтверждает: эта система слоев может фактически подойти для новой формы полупроводниковой электроники, которая включает и использует квантовые эффекты, происходящие в сверхпроводниках».

Компьютерные системы, которые физически изолированы от внешнего мира (закрытые), все еще могут быть атакованы. Это демонстрируют эксперты по ИТ-безопасности из Технологического института Карлсруэ (KIT) в проекте LaserShark. Они показывают, что данные могут быть переданы на светодиоды обычных офисных устройств с помощью направленного лазера. Благодаря этому злоумышленники могут тайно связываться с компьютерными системами с воздушным зазором на расстоянии нескольких метров. В дополнение к традиционной безопасности информационных и коммуникационных технологий критически важные ИТ-системы также нуждаются в оптической защите.

Хакеры атакуют компьютеры с помощью лазеров. Звучит, как сцена из последнего фильма о Джеймсе Бонде, но на самом деле это возможно. В начале декабря 2021 г. исследователи из KIT, TU Braunschweig и TU Berlin представили атаку LaserShark на 37-й ежегодной конференции по приложениям компьютерной безопасности (ACSAC). Этот исследовательский проект посвящен скрытой связи по оптическим каналам. Компьютеры или сети в критических инфраструктурах часто физически изолированы для предотвращения доступа извне. «Воздушный зазор» означает, что эти системы не имеют ни проводных, ни беспроводных подключений к внешнему миру. Предыдущие попытки обойти такую защиту с помощью электромагнитных, акустических или оптических каналов просто работали на небольших расстояниях или низких скоростях передачи данных. Более того, они часто позволяют только кражу данных, то есть получение данных.

Группа безопасности интеллектуальных систем из KASTEL - Института информационной безопасности и надежности KIT - в сотрудничестве с исследователями из Брауншвейгского и Берлинского университетов продемонстрировали новую атаку: с помощью направленного лазерного луча злоумышленник может передавать данные в системы с воздушными зазорами и извлекать данные без дополнительного оборудования на атакуемом устройстве. «В этой скрытой оптической связи используются светодиоды, уже встроенные в офисные устройства, например, для отображения сообщений о состоянии на принтерах или телефонах», - объясняет профессор Кристиан Вресснеггер (Christian Wressnegger), руководитель группы безопасности интеллектуальных систем KASTEL. Светоизлучающие диоды (LED) могут получать свет, хотя они для этого не предназначены.

Направляя лазерный свет на уже установленные светодиоды и записывая их реакцию, исследователи устанавливают скрытый канал связи на расстоянии до 25 м, который можно использовать в обоих направлениях. Он обеспечивает скорость передачи данных 18,2 Кб/с при входящем и 100 Кб/с при исходящем. Эта оптическая атака возможна на коммерчески доступных офисных устройствах, используемых в компаниях, университетах и государственных учреждениях. «Проект LaserShark демонстрирует, насколько важна дополнительная оптическая защита критически важных ИТ-систем по сравнению с обычными мерами безопасности информационных и коммуникационных технологий», - говорит Кристиан Вресснеггер.

Поскольку данные могут передаваться с помощью света, критически важные системы безопасности нуждаются в оптической защите