Сложные молекулы могут стать основой высокостабильных квантовых битов


Основой любой квантовой системы, будь это вычислительная или коммуникационная система, являются квантовые биты, кубиты. В большинстве случаев в роли этих кубитов выступают отдельные атомы, ионы или субатомные частицы, электроны, к примеру. Однако, создание многочисленных матриц связанных между собой высокостабильных кубитов, при помощи которых могут решаться весьма сложные алгоритмы, является делом непосильным для современной науки и современных технологий. Такое положение дел может измениться в недалеком будущем благодаря работе исследователей из Манчестерского университета, которые получили первые доказательства того, что большие сложные молекулы, состоящие из атомов никеля и хрома, могут служить для хранения и обработки квантовой информации. Более того, при помощи методов так называемой надмолекулярной химии можно создать несколько различных видов кубитов и связать их вместе в структуры, называемые двукубитными логическими элементами.

"Мы продемонстрировали, что при помощи некоторых химических технологий можно создать стабильные кубиты и объединить их в логические элементы, выполняющие различные функции" - рассказывает Ричард Винпенни (Richard Winpenny), директор Школы химии Манчестерского университета, - "А нашим следующим шагом будет именно создание и проверка работоспособности таких элементов".

Справедливости ради следует отметить, что проблема создания "молекулярных кубитов" была пока решена учеными лишь теоретически, на уровне расчетов алгоритмов, обрабатывающих данные о различных вариантах сложных молекул. Однако, эти расчеты показали, что при условии соблюдения необходимых условий квантовая информация, записанная в отдельные молекулярные кубиты, сможет храниться там время, достаточное для проведения ее обработки в соответствии с заданным квантовым алгоритмом.

Высокая стабильность молекулярных кубитов является прямым следствием большой массы и размеров используемых молекул. "Представьте себе, что вы пытаетесь донести до своего столика две кружки с пивом в пабе, заполненном пьяными, дерущимися и кричащими посетителями" - рассказывает Ричард Винпенни, - "И вам вполне может удастся это сделать, если вы обладаете достаточной силой, массой и внушительными габаритами. В ином случае вам пришлось бы сначала успокоить всех посетителей, что представляется весьма и весьма сомнительной затеей".

"Самой главной проблемой, которая встанет перед нами в ближайшее время, будет соединение двух кубитов так, чтобы не уменьшить время хранения ими квантовой информации. И если нам удастся сделать это, то мы надеемся, что это привлечет к себе внимание других ученых, которые начнут двигаться в данном направлении".

Источник

Компания Toshiba представляет TDNN - новый высокоэффективный нейроморфный процессор, ориентированный на технологии глубинного машинного изучения


Компания Toshiba, продолжая развивать направление Интернета вещей (Internet of Things, IoT) и анализа больших объемов данных (Big Data analysis), представила всеобщему вниманию новый процессор Time Domain Neural Network (TDNN), который представляет собой нейроморфный полупроводниковый процессор со сверхнизким потреблением энергии. Процессор TDNN ориентирован на технологии глубинного машинного изучения и он содержит большое число специализированных вычислительных узлов, построенных, в отличие от традиционных цифровых процессоров, на базе оригинальной аналоговой технологии компании Toshiba.

Глубинное машинное изучение требует огромного количества вычислительных операций. Из-за этого для реализации подобных технологий используются мощные процессоры, обладающие большой мощностью и потребляющие значительное количество энергии. Однако, для реализации глубинного изучения на уровне IoT-устройств требуются малопотребляющие чипы, которые способны выполнить большое количество необходимых операций при минимально возможном количестве потребляемой энергии.

В традиционной архитектуре фон Неймана, на базе которой построено большинство современных компьютеров, достаточно большое количество энергии расходуется на передачу данных от устройств хранения данных до процессора, который выполняет обработку этих данных. Одним из методов уменьшения количества операций пересылки данных является то, что каждая инструкция работает с данными, расположенными рядом с ячейкой, в которой хранились данные, использованные предыдущей инструкцией.

У архитектуры, реализованной природой в виде мозга высокоразвитых живых существ, имеются все особенности, необходимые для реализации максимально эффективной обработки больших объемов информации. В качестве параметра, определяющего первоочередность обработки тех или иных данных, выступает сила сцепления между нейронами, которая реализуется в виде синапсов, нейронных связей. Это позволяет синапсу также принимать участие в обработке сигналов, а такая архитектура называется полностью развернутой в пространстве архитектурой (fully spatially unrolled architecture). Однако, воспроизведение такой архитектуры на чипе традиционными методами практически невозможно, так как это требует наличия огромного количества арифметических и логических блоков.

Создавая процессор TDNN, специалисты компании Toshiba решили вышеуказанную проблему путем смешивания функций аналоговых и цифровых цепей, создав так называемый метод смешанных вычислений (time-domain analog and digital mixed signal processing, TDAMS). Этот метод был разработан еще в 2013 году и он позволяет максимально миниатюризировать каждый из вычислительных блоков. Это достигается за счет выполнения арифметических операций над данными, которые проходят через логический или арифметический элемент в виде аналогового сигнала. И это позволяет создать вычислительный узел для глубинного машинного изучения, состоящий всего из трех логических элементов и 1-битной ячейки памяти.

Созданный специалистами компании Toshiba экспериментальный чип был запрограммирован на задачу распознавания рукописного текста. И на этой задаче он продемонстрировал уровень потребления энергии в 20.6 фДж на одну операцию, что приблизительно на 10-20 процентов ниже, чем потребление других аналогичных решений, созданных ранее.

А в самом скором времени компания Toshiba планирует создать новый TDNN-процессор, который будет построен не на базе обычной статической памяти SRAM, а на базе резистивной памяти ReRAM (resistive random access memory). Это, в свою очередь, позволит одновременно увеличить производительность процессора и снизить количество потребляемой им энергии.

Источник

Ученым удалось измерить время явления с точностью до одной зептосекунды


Группе ученых-физиков из Мюнхенского университета Людвига-Максимилиана (Ludwig Maximilians Universitat Munchen, LMU Munich) и Института квантовой оптики Макса Планка (Max Planck Institute of Quantum Optics, MPQ) удалось измерить время между моментом удара фотона света в атом гелия и моментом высвобождения одного из электронов этого атома с точностью одной зептосекунды (триллионной миллиардной доли секунды, 10^-21). И это является первым разом в истории науки, когда промежуток времени был измерен с такой беспрецедентно высокой точностью.

Явление, о котором шла речь выше, называется фотоионизацией. В результате поглощения и квантового перераспределения энергии внутри атома после удара по нему фотона света один из электронов покидает пределы атома и атом превращается в ион. В случае атома гелия энергия фотона распределяется между двумя электронами или полностью поглощается одним из них. Но результат в обоих случаях всегда одинаков - один из электронов покидает пределы атома. В данном процессе работают не только принципы обычной, но и квантовой механики, и поэтому высокоточное измерение времени явления фотоионизации дает ученым в руки подтверждения некоторых аспектов квантовой теории.

Изгнание электрона из атома в результате явления фотоионизации называется фотоэмиссией, фотоэлектрическим эффектом, определенным в статье Альберта Эйнштейна в 1905 году. Это явление служит подтверждением тому, что энергия света передается в виде дискретных пакетов, а все это вместе взятое является одной из основ современной квантовой теории.

Для того, чтобы увидеть явление фотоионизации требуются высокоэнергетические лазеры и камеры с невероятно высокой скоростью съемки. Уровень энергии, требующийся для фиксации явления фотоионизации, находится в районе единиц и десятков мегаэлектронвольт (MeV), а время, за которое происходит явление, находится в пределах 5-15 аттосекунд (аттосекунда - 10^-18 секунды).

Естественно, что для того, чтобы зафиксировать столь быстротечные процессы, требуется особая камера. Даже такие высокоскоростные камеры, как японская система STAMP, способные фиксировать изображения в пределах фемтосекунд (10^-15 секунды), слишком медленны. Новая система, разработанная физиками из Мюнхена, работает на порядки быстрее, позволяя фиксировать события, длящиеся около 850 зептосекунд.

Для того, чтобы получить такую высокую скорость съемки, исследователи использовали аттосекундные импульсы света ультрафиолетового лазера, которые смешивались с импульсами инфракрасного лазера, длительностью в четыре фемтосекунды. Этот суммарный импульс и ударял в наблюдаемый атом гелия, а факт изгнания из него электрона моментально фиксировался при помощи инфракрасного лазерного импульса. Меняя характеристики переменного электромагнитного поля высокоэнергетического ультрафиолетового лазерного импульса, изгоняемый электрон или ускорялся или замедлялся, а изменения этой скорости позволили ученым вычислить время явления фотоионизации с точностью до зептосекунды.

Данный эксперимент имеет весьма важное значение для области квантовой механики, ведь ученым впервые удалось установить, что энергия фотона, поглощенная атомом гелия, имеет квантовую природу, и ее количество распределяется между двумя электронами в полном соответствии с постулатами квантовой теории. Атомы гелия были выбраны для этих экспериментов далеко не случайно, их простое строение позволяет вычислить их свойства и поведение в тех или иных случаях с достаточно высокой точностью. А измерение явления фотоионизации с точностью в зептосекунду означает окончательное подтверждение соответствия между теорией и экспериментами.

Источник

Ученые преодолели самое главное "узкое место" процесса производства дисплеев на квантовых точках


Квантовые точки, светоизлучающие наночастицы из полупроводниковых материалов, были изобретены еще в 1980-х годах. Однако, в силу ряда причин это изобретение так и не добралось до массового применения, все дело заключается в том, что эти квантовые точки должны быть осаждены и равномерно распределены на площади основания будущего дисплея. И до последнего времени в распоряжении людей не было ни одного подходящего метода для того, чтобы сделать все это с высокой разрешающей способностью, с высокой точностью и в масштабах массового производства.

Теперь создание высококачественных дисплеев на квантовых точках стало более практичным благодаря работе исследователей из корейского Института науки и техники (Korea Institute of Science and Technology, KIST). Группа, возглавляемая Джун-Сух Паком (Joon-Suh Park), разработала технологию, которая является комбинацией двух распространенных технологий, фотолитографии, которая позволяет осадить квантовые точки на поверхность с высокой точностью при помощи света, и послойной последовательной сборки, которая позволяет равномерно распределить квантовые точки по поверхности и по объему за счет использования электрического заряда.

"Наша работа обеспечивает достаточно простую технологию нанесения и распределения квантовых точек, которая совместима с традиционными методами изготовления полупроводниковых приборов. И это поможет нам сломать барьер, препятствующий массовому производству устройств на квантовых точках" - рассказывает Джун-Сух Пак, - "Поскольку квантовые точки более устойчивы по отношению к влаге и кислороду по сравнению с нынешними органическими полупроводниковыми материалами, наша технология сможет обеспечить производство очень широкого ряда разнообразных устройств, включая высококачественные дисплеи, фотодатчики, солнечные батареи и т.п.".


В настоящее время уже существует несколько методов нанесения и равномерного распределения квантовых точек по поверхности. Однако, квантовые точки являются самой главной проблемой в силу их необычных свойств. К примеру, из-за их относительно большой массы невозможно использовать технологию термовакуумного напыления, а их супергидрофобные свойства не дают им удержаться на заданном месте в случае контакта с органическими химикатами, используемыми в стандартной литографии.

Для того, чтобы иметь возможность использовать фотолитографию, не повреждая сами квантовые точки, исследователи облачили их в защитное покрытие, препятствующее контакту полупроводникового материала с органическим растворителем. Кроме этого, на основание был подан электрический потенциал соответствующей полярности, который удерживал квантовые точки на поверхности при помощи сил электростатической природы.

В качестве демонстрации возможностей новой технологии, исследователи использовали красные, зеленые, фиолетовые и желтые квантовые точки, при помощи которых на поверхности 10-сантиметрового основания был нанесен постер "Marilyn Monroe 1967". Такой размер основания уже можно считать достаточно крупным для дисплеев QD-LED, но в будущем ученые планируют улучшить разработанные ими технологии, благодаря чему производство дисплеев на квантовых точках станет еще более дешевым, а сами дисплеи - более высококачественными.

Источник