Квантовые материалы
Я в течение 11 лет работал в компании IBM, которая долгое время была лидером в микроэлектронике. Они впервые обнаружили, что необходимо инвестировать деньги в исследования нанотехнологий, еще до того, как все этим начали заниматься, в начале 2000-х годов в Америке.
Уже тогда появилась группа в IBM, которая занималась именно разработкой новых квантовых материалов для продолжения микропроцессоров. И мне очень повезло, именно в этой лаборатории я проработал 11 лет, получил опыт и его перевез в Сколтех. И здесь мы продолжаем похожие исследования, только мы работаем с двумерными материалами.
Размеры двумерного материала — порядка одного или нескольких атомарных слоев.
Таких материалов существует большое множество, порядка четырех тысяч. Из них можно делать многие комбинации, и они намного меньше исследованы, чем графен. Большинство из них имеют прямую зону, то есть они очень эффективно поглощают свет.
Многие исследователи во всем мире изучают эти двумерные материалы, чтобы узнать, какие их свойства и как они могут быть применены для электроники и оптоэлектроники. Почему они интересны? Потому что они дешевые в производстве, а главное, из них можно делать приборы, используя опыт, накопленный в кремниевых технологиях микропроцессоров.
Мы просто переносим, один материал заменяем на другой. Кремний заменяем на какой-то из двумерных материалов. И вопрос остается: какой? В этом и заключается исследование.
Как я сказал, свойства этих материалов зависят от количества слоев, от композиции, от структуры, и их огромное количество. Расскажу о черном фосфоре. Почему он вызывает интерес исследователей? Дело в том, что он имеет ширину щели намного больше, чем у графена.
Если у графена ее нет, то здесь она может быть от 0,3 электронвольта до 2 электронвольтов ― в зависимости от количества слоев. Этот материал прямозонный, и он может применяться как в электронике, так и в оптоэлектронике.
Но основная проблема в том, что в обоих применениях нам нужно знать электрические свойства электронов и дырок в этом материале.
Наша группа предсказала эти свойства на основе расчетов, используя квантовую химию и модель гамильтонианов, мы предсказали, как это рассеяние зависит от температуры, концентрации, электрических полей. В общем, то, как будет себя вести транзистор, построенный на основе этого материала.
Это кремниевая пластина, основа микроэлектроники, на которую наносятся различные слои, ведущие к устройствам, которые мы используем в наших сотовых телефонах, компьютерах и так далее. И то, о чем я рассказывал, касается квантовых материалов, которые могут заменить кремний для каких-то приложений.
Квантовые материалы выращиваются отдельно. Скажем, на металлических подложках, как здесь показан графен. Также можно вырастить молибден дисульфид. И чтобы сделать прибор, нужно перенести этот квантовый материал на кремниевую подложку, что люди умеют делать.
После того как она оказывается на этой подложке, мы можем использовать стандартные методы микроэлектроники, чтобы вырезать и сделать на них приборы.
Собственно говоря, это основная мотивация для этих исследований, из-за которой изучаются именно двумерные и именно квантовые материалы, почему мы можем ожидать каких-то новых решений в технологиях с их помощью.
Существует другой класс материалов, которые являются композитами металла и, скажем, атома серы или селенида. Эти материалы также активно изучаются. У них прямая щель порядка 2 вольт, что соответствует видимому диапазону. Они очень хорошо поглощают свет.
Но дело в том, что, так как это материал двумерный, энергия связи между электроном и дыркой очень сильная, что приводит к тому, что когда мы облучаем этот материал светом, то создаются экситоны с большой энергией связи. Чтобы из них сделать что-то полезное, чтобы разъединить электрон и дырку, нужно приложить электрическое поле.
Чтобы определить, какое поле нужно приложить, можно сделать расчеты, также используя гамильтонианы и посчитав частичную функцию для электронов и дыр. Самое интересное, что если этот материал положить на разные подложки, например диоксид кремния или какой-то другой диэлектрик с другим потенциалом экранирования, то энергия связи будет меняться.
Поэтому потребуется меньшее или большее поле для разъединения. Это исследование очень полезно для инженерии приборов на основе этих материалов.
Я рассказал только про два из них. На самом деле их целая тысяча. А самое интересное заключается в том, что их можно комбинировать, один накладывать на другой, тем самым менять их свойства.
Очень важно смотреть, как они соотносятся с окружающей средой на воздухе, как они относятся к воде, как могут поменяться их свойства. И это все очень важные вопросы для потенциальных применений.
Но самое важное ― нужно определить цель этих исследований, что мы хотим получить на выходе. Дело в том, что с электроникой очень сложно конкурировать. А в оптоэлектронике еще есть незанятые экономические ниши, поэтому так важна фотоника и изучение квантовых материалов.
В нашем центре мы изучаем, пытаемся получить какие-то решения, которые относились бы к оптоэлектронике, будь то детекторы на инфракрасном диапазоне или какие-то решения для солнечных батарей.
Что касается перспектив, то есть такой важный аспект, как коллективные возбуждения, плазмоны. Они намного усиливают поглощение света.
Скажем, если тот же графен поглощает 2 %, то плазмоны поглощают намного больше света, порядка 30–60 %, что намного более интересно для применения в оптоэлектронике.
И та проблема, что у графена нет щелей, может решаться путем наноструктурирования графена, то есть вырезать полоски из него размером несколько десятков нанометров, что позволяет менять оптические свойства.
Так же и у всех двумерных материалов: можно менять их электрические и оптические свойства, поднося электрическое поле, перпендикулярное к нему, что будет менять концентрацию носителей.
И таким образом мы можем управлять затвором, свойствами этих материалов и комбинировать их с другими похожими материалами. Возвращаясь к началу, все эти материалы совместимы с опытом, накопленным микроэлектроникой за последние 50 лет.
И все, что нам надо сделать, — это перенести этот материал на пластину и применить процессы литографии, которые уже очень хорошо изучены и отлажены индустрией.
Источник: http://sk.ru/news/b/press/archive/2017/04/03/kvantovye-materialy.aspx
Новый метод позволил получить сверхчистый графен | Новости | Компьютерное Обозрение
Впервые выделенный в 2004 г., графен является наиболее изученным 2D-материалом, свойства которого описаны в тысячах научных статей. Однако при наличии загрязнения его выдающиеся электрические и механические характеристики быстро деградируют. Как выяснилось, проблемы загрязнения и создания электрических контактов взаимосвязаны.
Графен не образует связей вне основной плоскости, что мешает созданию электрических контактов через поверхность, а также не дает использовать обычные 3D-изоляторы на основе оксидов для предохранения от внешнего загрязнения.
Применение же 2D-изоляторов до сих пор не позволяло получать электрический доступ к полностью защищенному от внешней среды графену.
В инженерной школе Колумбийского университета (Columbia Engineering) разработана новая контактная архитектура устройств на основе 2D-материалов, которая впервые делает возможным электрическое подключение слоев атомарной толщины через одномерную грань.
Благодаря этому достижению стало возможным создание нового метода сборки слоистых материалов, предотвращающего загрязнение поверхностей раздела. Совместное использование этих двух технологий позволило получить графен самой высокой степени чистоты на сегодняшний день. Об итогах работы рассказывается в ноябрьском номере Science.
Полученный исследователями полностью изолированный графен представляет собой сэндвич из одного слоя этого материала, заключенного между двумя слоями нитрида бора. После создания такой структуры ученые разрезали ее, чтобы открыть край графенового слоя, и металлизировали его методом напыления.
«Вместо обычно практикуемого послойного выращивания, гибридные материалы теперь можно изготавливать механической сборкой составляющих их 2D-кристаллов, говорит соавтор статьи профессор Кен Шепард (Ken Shepard). — Никому больше не удалось успешно реализовать геометрию краевого контакта в чистом виде, применительно к 2D-материалам, таким как графен».
Как показали испытания, полученный одномерный интерфейс между активным 2D-слоем и объемным электродом обладает ничтожным контактным сопротивлением, 100 Ом на микрон длины контакта — меньше, чем у традиционных контактов, выходящих на верхнюю поверхность графена.
При комнатной температуре такой сверхчистый графен демонстрирует мобильность электронов вдвое выше, чем у любой обычной электронной 2D-системы. Кроме того, при низких температурах, электроны распространялись в экспериментальных образцах без рассеивания.
Это явление, известное как баллистический транспорт, ранее наблюдалось в образцах, габаритами до одного микрометра.
Теперь же эффект сохраняется и при длине в 20 раз больше, а в реальности, по словам участников работы, дальность баллистического транспорта теперь ограничивается только размерами самого устройства.
Технологии механической компоновки слоев и одномерного контакта могут быть использованы для создания других гибридных материалов, содержащих графен, нитрид бора, оксиды и дихалькогениды переходных материалов и топологические изоляторы. Перечень потенциальных приложений огромен и включает транзисторы с вертикальной структурой, устройства и сенсоры на туннельном эффекте и фотоактивные гибридные материалы для гибкой и прозрачной электроники.
Источник: https://ko.com.ua/novyj_metod_pozvolil_poluchit_sverhchistyj_grafen_99173
10 невероятных последствий развития квантовых технологий
В научном сообществе образовался консенсус, что первый полностью функциональный квантовый компьютер будет готов приблизительно через десять лет — и это событие такого масштаба, что многие эксперты призывают считать годы, оставшиеся до «квантума».
Большинство людей, хотя бы немного знакомых с основными идеями квантовой механики, считают эту область несколько «странноватой», поскольку она иногда озадачивает даже опытных квантовых физиков.
В голове появляются картинки людей, ходящих по стенам, путешествующих во времени и общей неопределенности, которая грозит искоренить наши самые привычные представления об истине и реальности.
Стандартные измерения становятся бессмысленными.
Учитывая невероятный потенциал квантовых технологий, будет нелишним заявить, что те, кто овладеет этой технологий в будущем, будут иметь существенное преимущество перед теми, кто не овладеет — и касается это политики, финансов, безопасности и многих других сфер. Компании вроде Amazon, Microsoft и Intel с нетерпением ждут внедрения квантовой криптографии, поскольку опасаются, что хакеры постараются добраться до квантовых возможностей и обрушить системы безопасности этих компаний.
И раз уж мы можем сказать, что квантовые вычисления в скором времени точно появятся, нужно понять, что это означает для будущего и какие невероятные новые (и иногда пугающие) возможности принесут квантовые технологии.
Перед вами десять невероятных последствий внедрения квантовых технологий.
Экспоненциальное увеличение вычислительной скорости
Для начала небольшое короткое вступление: компьютер, на котором вы читаете это, работает на тех же базовых технологиях, которые используются практически в каждом компьютере мира.
Это конечный двоичный мир, в котором информация закодирована в битах — единицах и нулях — которые могут существовать только в двух состояниях (вкл и выкл).
Квантовые вычисления, напротив, используют «кубиты», которые могут существовать в практически бесчисленных состояниях одновременно. (Грубо говоря, n кубитов может существовать в 2n разных состояниях одновременно).
Если скормить обычному компьютеру последовательность из тридцати 0 и 1, будет примерно миллиард возможных значений этой последовательности, и компьютер, использующий обычные биты, должен проходить каждую комбинацию по отдельности, требуя много времени и памяти. С другой стороны, квантовый компьютер мог бы «видеть» все миллиарды последовательностей одновременно, что существенно сокращало бы временные и вычислительные затраты.
По сути, квантовые компьютеры будут способны производить расчеты за секунды, на которые у обычных компьютеров уходили бы тысячи лет.
Поиск новых эффективных препаратов
Благодаря неизбежному росту вычислительной мощности, предсказанной законом Мура, появилось доступное секвенирование ДНК. Но теперь мы вот-вот вступим в эпоху медицины, построенной на квантовых вычислениях.
В то время как на рынке уже и без того много хороших лекарств, скорость с которой они производятся, а также их эффективность, на диво ограничены. Даже с новейшим приростом скорости и точности, они весьма незначительны из-за ограничений стандартных компьютеров.
С организмом, столь сложным, как человеческое тело, существует бесчисленное множество способов, которыми лекарство может реагировать на окружающую среду. Добавьте к этому безграничность генетического разнообразия на молекулярном уровне, и потенциальные исходы для неспецифических лекарственных препаратов резко начинают достигать миллиардных чисел.
И только у квантовых компьютеров будет возможность изучить каждый возможный сценарий взаимодействия с препаратом и представить не только наилучший возможный план действий, но также шансы человека на успешный прием конкретного препарата — за счет комбинации более точного и ускоренного секвенирования ДНК и более точного понимания фолдинга белка.
Эти же самые нововведения, особенно в отношении фолдинга белков, также неизбежно приведут к лучшему пониманию того, как функционирует жизнь в целом, что впоследствии приведет к гораздо более точной трактовке, улучшению препаратов и улучшению результатов.
Безграничная безопасность
Помимо квантовых скачков в медицине, квантовые технологии также дают возможность создать практически невзламываемые методы кибербезопасности и сверхбезопасный обмен данными на длинных расстояниях.
В мире квантовых странностей существует явление под названием «квантовая запутанность», в которой две или более частиц соединяются загадочным образом, независимо от среды, которая существует между ними, и без какой-либо опознаваемой сигнализации. Это то, что Эйнштейн называл «жутким действием на расстоянии».
И поскольку нет определенной среды, в которой связываются эти две частицы, сигналы, закодированные с использованием запутанных частиц, невозможно будет перехватить. Наука, необходимая для этой технологии, пока развита недостаточно.
Однако продвижение в этом направлении окажет огромное влияние на частную и национальную безопасность.
Резко увеличившаяся вычислительная скорость также будет способствовать развитию кибербезопасности, поскольку экспоненциально большая вычислительная мощность квантовых компьютеров позволит им противостоять даже самым изощренным методам взлома, и это при помощи квантового шифрования.
«Квантовые вычисления безусловно будут применяться везде, где мы используем машинное обучение, облачные вычисления, анализ данных», говорит Кевин Карран, исследователь кибербезопасности в Университете Ольстера. «В области безопасности это означает обнаружение проникновения, поиск паттернов в данных и более сложные формы параллельного вычисления».
Квантовые компьютеры смогут предугадывать «шаги» хакеров в миллионах или миллиардах возможных итерациях.
Безграничный взлом
Конечно, с большой силой появляется и большая ответственность, и так же квантовая мощь, которая позволит осуществлять квантовое шифрование, также позволит хакерами беспроблемно взламывать самые сложные методы безопасности, которые обеспечиваются относительно примитивными машинами.
Сегодня самые сложные криптографические методы, как правило, основаны на чрезвычайно сложных математических задачах. И хотя этих препятствий достаточно, чтобы сдержать большинство бинарных суперкомпьютеров, квантовый компьютер сможет легко их обойти.
Способность квантового компьютера находить закономерности в гигантских наборах данных с огромной скоростью позволит ему рассчитывать огромные числа, в то время как обычные компьютеры будут перебирать их по одному за раз.
С кубитами и квантовой суперпозицией все возможные варианты будут проверяться одновременно.
Потребовалось почти два года, чтобы сотни компьютеров, работающие одновременно, смогли разблокировать один пример алгоритма RSA-768 (который имел два основных фактора и требовал ключ длиной семьсот шестьдесят восемь битов. Квантовый компьютер справится с этой задачей за секунду.
Точные атомные часы и обнаружение объектов
Атомные часы используются не только для ежедневного отсчета времени. Они являются важным компонентом большинства современных технологий, включая GPS-системы и коммуникационные технологии.
Обычно атомные часы не требуют тонкой настройки. Самые точные атомные часы работают, используя колебания микроволн, испускаемых электронами при изменении уровней энергии. А атомы, используемые в часах, почти охлаждаются для абсолютного нуля, что обеспечивает длительное время микроволнового зондирования и большую точность.
Новейшие атомные часы будут использовать современные квантовые технологии и в скором времени станут настолько точными, что их будут использовать как сверхточные детекторы объектов — они смогут чувствовать мельчайшие изменения в гравитации, магнитных полях, электрических полях, движении, силе, температуре и других явлениях, которые в природе колеблются в присутствии вещества. Эти изменения будут отражаться в изменениях времени. (Не забывайте, что время, пространство, вещество связаны между собой).
Это точно настроенное обнаружение поможет в идентификации и удалении подземных объектов, отслеживании подводных лодок намного ниже поверхности океана и даже сделает навигацию и автоматическое вождение гораздо более точными, поскольку программное обеспечение сможет лучше различать автомобили и другие объекты.
Финансовые рынки
В переплетенном мире финансов, скорость имеет первостепенное значение. И удивительно большое количество проблем, с которыми сталкивается финансовая отрасль (многие из которых связаны с нехваткой вычислительной скорости), остаются неразрешенными.
Даже самые мощные обычные компьютеры, использующие 0 и 1, не могут хотя бы примерно спрогнозировать будущие финансовые и экономические события, не говоря уж о том, чтобы решить сложнейшие проблемы, связанные с ценообразованием опционов на быстро меняющемся рынке.
Например, многие опционы требуют сложных производных, зависящих от различных факторов, что означает, что выплата опциона в конечном счете определяется путем изменения цены базового актива.
Попытка отобразить и предусмотреть все возможных «пути» опциона слишком сложна для современных машин.
Однако, учитывая свою скорость и маневренность, квантовые компьютеры теоретически могли бы идентифицировать неверный ценовой вариант опциона на акции и использовать его для выгоды своего владельца до того, как рынок предпримет какие-либо значимые действия.
Такого рода мощь могла бы, конечно, нанести ущерб рынку и сильно поднять положение небольших фирм, владеющих и управляющих суперкомпьютером — за счет отдельных трейдеров и фирм, неспособных приобрести такие технологии.
Картирование человеческого разума
При всех удивительных достижениях, которые имели место в области нейронауки и сознания за последние несколько десятилетий, ученые до сих пор знают удивительно мало о том, как работает сознание. Но мы, впрочем, знаем, что мозг человека — одна из самых сложных вещей в известной вселенной, и чтобы понять его полностью, необходима вычислительная сила нового типа.
Человеческий мозг состоит из 86 миллиардов нейронов — клеток, которые передают небольшие биты информации за счет активации быстрых электрических зарядов.
И хотя электрическая часть работы мозга понятна довольно хорошо, само сознание остается загадкой.
«Задача в том», говорит нейробиолог Рафаэль Юсте из Колумбийского университета, «чтобы определить, как физическая подложка клеток, связанных внутри этого органа, относится к нашему умственному миру, нашим мыслям, памяти, ощущениям».
И в попытке понять сознание нейрофизиологи в значительной степени полагались на аналогию с компьютером, поскольку мозг превращает сенсорные данные и вводы в относительно предсказуемые результаты. И что может быть лучше для понимания работы компьютера, чем сам компьютер?
Доктор Кен Хэйворт, невролог, который картирует мышиный мозг, считает, что составление визуализации полного мозга мухи займет примерно один-два года. Но та же идея сопоставления всего человеческого мозга будет просто невыполнима без квантовых вычислений.
Поиск далеких планет
Никого не удивит, что квантовое вычисление будет широко использоваться в освоении космоса, что часто требует анализа огромных наборов данных. Используя квантовые процессоры, охлажденные до 20 милликельвинов (близко к абсолютному нулю), инженеры NASA планируют использовать квантовые компьютеры для разрешения сложнейших задач оптимизации, связанных с миллиардами данных.
Например, ученые NASA смогут использовать крошечные колебания в квантовых волнах, чтобы обнаружить мелкие, едва уловимые перепады тепла в невидимых для нас звездах и, возможно, даже черных дыр.
NASA уже использует общие принципы квантовых вычислений для разработки безопасных и эффективных методов космических путешествий — особенно когда дело доходит до отправки роботов в космос.
NASA планирует посылать роботизированные миссии в космос примерно за десять лет, и среди его задач стоит использование квантовой оптимизации для создания сверхточных инструментов прогнозирования того, что может случиться за время миссии — чтобы предупредить любой возможный исход и создать план действий на каждый случай.
Более тщательное и точное планирование роботизированных миссий также приведет к более эффективному использованию батарей, которые выступают одним из основных ограничивающих факторов, когда дело доходит до роботизированных космических миссий.
Генетика
Завершение проекта генома человека в 2003 году привело к появлению новой эпохи в медицине. Благодаря глубокому пониманию генома человека, мы можем адаптировать сложные процедуры специально под конкретные потребности человека.
Несмотря на то, сколько мы уже знаем о тонкостях человеческой ДНК, мы до сих пор поразительно мало знаем о белках, которые кодирует ДНК.
Добавим квантовые расчеты, которые в теории позволят нам составлять «карту белков» так же, как мы собираем карту генов. По сути, квантовые расчеты также позволят нам моделировать сложные молекулярные взаимодействия на атомном уровне, что станет бесценным, если говорить о разработке новых методов медицинских исследований и фармацевтики.
Мы могли бы смоделировать 20 000 белков и их взаимодействие с мириадами новых разных препаратов (даже тех, что еще не изобретены) с безукоризненной точностью. Анализ этих взаимодействий, опять же при помощи квантовых вычислений и продвинутых алгоритмов оптимизации, приведет нас к созданию новых методов лечения пока неизлечимых заболеваний.
Скорость квантового вычислений также позволит нам анализировать «квантовые точки» — крошечные полупроводниковые нанокристаллы размером в несколько нанометров, которые сейчас используются на передовой для лечения и обнаружения рака. Также квантовые компьютеры могли бы обнаруживать мутации в ДНК, которые пока кажутся совершенно случайными, и их связь с квантовыми флуктуациями.
Материаловедение и инженерия
Стоит ли говорить, что квантовые вычисления уже привели к массивным последствиям для материаловедения и инженерии, учитывая то, что квантовые расчеты лучше всего подходят для открытий на атомном уровне.
Сила квантовых вычислений позволит использовать все более сложные модели, которые будут отображать, как молекулы собираются и кристаллизуются с образованием новых материалов. Такие открытия, ведущие к созданию новых материалов, впоследствии приведут к созданию новых структур, имеющих последствия в сферах энергетики, борьбы с загрязнением и фармацевтических препаратов.
«Когда инженер строит дамбу или аэроплан, эта структура сперва проектируется при помощи компьютеров. Это чрезвычайно сложно проделать на молекулярном или атомарном масштабе», объясняет Грэм Дэй, профессор химического моделирования в Университете Саутгемптона.
«Очень сложно проектировать на атомных масштабах с нуля и уровень неудачи в процессе обнаружения новых материалов очень высок. По мере того, как физики и химики пытаются открыть новые материалы, они часто чувствуют себя в роли путешественников без надежной карты».
Квантовые вычисления смогут обеспечить весьма «надежную карту», позволив ученым имитировать и анализировать атомные взаимодействия с невероятной точностью, что в свою очередь приведет к созданию совершенно новых и более эффективных материалов — без проб и ошибок, неизбежно возникающих при попытке построить новые материалы в более широком масштабе. Это означает, что мы сможем найти и создать лучшие сверхпроводники, более мощные магниты, лучшие источники энергии и многое другое.
Источник: https://hi-news.ru/technology/10-neveroyatnyx-posledstvij-razvitiya-kvantovyx-texnologij.html
Магнитные наноленты из графена – перфокарты для квантовых компьютеров?
Графеновые наноленты с молекулярными магнитами по краям открывают новые возможности для спинтроники и квантовых вычислений.
Графеновый лист под сканирующим зондовым микроскопом. (Фото: U.S. Army Materiel Command / Flickr.com)
1. Молекулярные магниты по краям графеновой наноленты «наводят» магнетизм. (Иллюстрация: Michael Slota et al., Nature 557, pages691–695 (2018))
2. Магнитные взаимодействия в наноленте со спинами молекулярных магнитов. (Иллюстрация: Michael Slota et al., Nature 557, pages691–695 (2018))
‹
›
Графен – двумерный кристалл, состоящий из углеродной «сетки» толщиной в один атом, – снова в центре внимания научного сообщества. На этот раз речь идёт о магнитных свойствах графеновых нанолент. Расчёты показывают, что края графеновых лент могут обладать магнитными свойствами. Такие материалы представляют интерес для спинтроники.
Если разрезать кристалл графена на полоски, то в зависимости от направления «нарезки» форма края будет отличаться: в одном случае мы получим так называемое «кресло», а в другом – «зигзаг».
Согласно расчётам, наноленты первого типа всегда будут полупроводниками, в которых ширина ленты определяет размер запрещённой зоны (то есть количество энергии, необходимое, чтобы перебросить электрон из валентной зоны в зону проводимости).
А наноленты второго типа всегда будут полуметаллами (то есть их зона валентности и проводимости касаются друг друга, не пересекаясь). Более того, теоретики предсказывают, что в таком случае края должны обладать магнитными свойствами.
Эту гипотезу сложно подтвердить или опревергнуть экспериментально, поскольку эффект ожидается слабый, а изготовление нанолент с идеальным краем – невероятно тяжелая, если вообще выполнимая задача.
Электронные и магнитные свойства графеновых нанолент тесно связаны не только со структрурой края, но и с его качеством. Любой незначительный дефект может «смазать» все взаимодействия и даже превратить наноленту в полупроводник.
Необходимость идеально ровного края на атомном уровне усложняет производство достаточно качественных образцов для статистически значимых наблюдений. Именно поэтому нам до сих пор сложно сказать что-то однозначное на основе имеющихся данных.
Мы точно знаем, что в однослойном графене образуются краевые электронные состояния, но можем только гадать об их магнитных свойствах.
Евгений Третьяков из Института органической химии им. Н. Н. Ворожцова в Новосибирске и его коллеги из Института исследований полимеров Общества Макса Планка в Майнце разработали новый метод синтеза, благодаря которому можно получить раствор с графеновыми нанолентами длиной около 100 нм с идеальными зигзагообразными краями.
По краям нанолент они прикрепили молекулы нитронилнитроксида – химически устойчивые органические молекулярные магниты.
Таким образом химики убили нескольких зайцев одновременно: химически активные края графеновых нанолент стабилизированы, функциональные группы позволяют изучать магнитные свойства, и на выходе получается большое количество (целые миллиграммы!) образцов, которые можно характеризовать с помощью стандартной оптической спектроскопии.
Чтобы изучить магнитные свойства полученных нанолент, Михаэль Слота (Michael Slota) и его коллеги из университетов Оксфорда и Ланкастера использовали электронный парамагнитный (спиновый) резонанс (ЭПР), который можно назвать электронным «братом» другого метода, ядерно-магнитного резонанса.
Спином в квантовой физике называют проекцию момента импульса частицы на определенную ось, обычно направленную вдоль внешнего магнитного поля, если оно присутствует.
Магнитное поле расщепляет энергетические уровни образца (эффект Зеемана: спин «по полю» более энергетически выгоден, чем спин «против поля»; разница в энергии определяется силой магнитного поля). Одновременно образец облучают микроволновым излучением, которое постепенно изменяет частоту.
Когда частота излучения совпадает с энергетической разницей между разными направлениями спина, образец поглощает излучение. По форме спектров поглощения при разных магнитных полях можно судить о магнитных свойствах образца и точно измерить величину взаимодействий, которые эти свойства определяют.
Используя ЭПР, физики показали, что магнитные спины на радикалах действительно наводят спиновую плотность по краю наноленты. Чтобы точно определить магнитные свойства собственно графеновой наноленты, для сравнения использовались образцы, содержащие аналогичную цепочку из молекулярных магнитов, но без графена.
Помимо демонстрации магнитных краевых состояний, ЭПР-спектроскопия позволила измерить силу спин-орбитального взаимодействия в графеновых нанолентах.
Полученные данные очень полезны для теоретических моделей электронной структуры графена и важны в более фундаментальном смысле: спин-орбитальное взаимодействие в этом материале настолько мало, что его практически невозможно измерить методами квантовой электроники, которые обычно используют для таких целей.
Более того, изучение так называемых динамических спектров и спинового эха даёт информацию о том, как долго «живёт» каждое магнитное состояние. С помощью динамического ЭПР физики измерили время релаксации спина и потери когерентности по краям графеновых нанолент.
Время декогерентности составлило порядка микросекунд при комнатной температуре, а это многообещающий результат. Получается, что спиновая когерентность в таких образцах сохраняется дольше, чем считалось ранее.
Возможно, причина в том, что в отличие от образцов из других экспериментов, стабилизированные графеновые наноленты менее подвержены случайным структурным вариациям и рассеиванию на контактах с электродами.
Исследователи подозревают, что источником декогерентности в нанолентах стало взаимодействие электронных спинов с ядерными спинами молекул радикалов. Хорошая новость заключается в том, что, оптимизируя состав этих радикалов, можно снизить концентрацию ядерных спинов или уменьшить чувствительность спиновых кубитов к магнитному шуму.
Поскольку магнитные спины могут ориентироваться либо вдоль магнитного поля, либо против, из них можно составить кубит (qubit, или quantum bit) – квантовый аналог единицы хранения информации. Разница между кубитом и обычным, «классическим», битом в том, что кубит – это суперпозиция состояний, обозначенных как 0 и 1, возможных с определённой вероятностью.
Кубит описывается не только состоянием 0 или 1, но и соотношением их вероятностей (сумма квадратов вероятности каждого из состояний кубита равна 1), поэтому в одном кубите можно зашифровать больше информации, чем в обычном бите. К кубитам, пригодным для квантовых компьютеров, предъявляется целый ряд требований.
Они должны быть «запутаны» друг с другом (квантовая запутанность означает, что изменение состояния одного из кубитов означает такое же изменение другого). Так же система должна быть изолирована от случайных внешних пертурбаций, которые невосполнимо разрушают запутанность и когерентность передаваемого сигнала.
В то же время кубитам нужны внешние стимулы, которые бы ими управляли и считывали зашифрованную информацию.
В этом отношении у графена есть преимущество по сравнению с другими материалами, которые могли бы хранить кубиты (например, такие полупроводники как арсенид галлия и кремний): электронный ток, протекающий через графен позволяет управлять кубитами и запутывать их.
Более того, два главных причины потери когерентности (которая ведёт к потере квантовой информации) почти полностью отсутствуют в графене.
Эти причины – взаимодействие электронных спинов с орбитальным моментом электронов в узлах кристаллической решётки и взаимодействие тех же электронных спинов с ядерными спинами: спин-орбитальное взаимодействие в графене пренебрежимо мало, а концентрация ядерных спинов в системе из данной работы невелика.
Нужно отметить, что в проведенном эксперименте магнитные состояния в графеновой наноленте появились за счёт модификации магнитными радикалами. То есть про собственный магнетизм краёв всё ещё сложно сказать что-то конкретное.
Возможно, если прикрепить по краю немагнитные молекулы, получится измерить собственный магнетизм края, но в любом случае мы должны различать «чистые» графеновые наноленты и модифицированные.
Ведь даже немагнитные радикалы могут существенно изменить электронную структуру края, что повлияет на все остальные свойства материала. Впрочем, с точки зрения приложений эта тонкость второстепенна.
Чтобы управлять кубитами и считывать с них информацию, нужна внешняя система. Скорее всего, наноленты нужно будет «соединить» с другими полупроводниковыми или квантовыми устройствами, а это значит, что контакты уменьшат срок жизни когерентности квантовых состояний в наноленте.
С другой стороны, возможно стоит пожертвовать временем декогерентности и увеличить силу спин-орбитального взаимодействия края наноленты с радикалами, чтобы управлять спином в прикреплённых молекулах с помощью электрического поля.
Такое усиление можно получить заменой органических радикалов на металлические комплексы. Для этого придётся разрабатывать новую химическую «кухню», но в любом случае ключ к реализации подобных устройств на основе графена, похоже, лежит в кармане у химиков.
А пока полученные результаты должны стать трамплином для ответа на многие вопросы о свойствах графеновых нанолент и тонкостях магнитных взаимодействий на молекулярном уровне.
Результаты экспериментов опубликованы в журнале Nature.
Источник: https://www.nkj.ru/news/34118/
Ученые изобрели новый тип квантовых вычислений
Австралийские физики создали новый тип кубита – элементарной единицы для хранения информации в квантовом компьютере. И, по их мнению, мы наконец сможем создавать по-настоящему полномасштабные квантовые компьютеры.
В общем смысле в настоящий момент существует два способна создания квантового компьютера. В одном случае это требует меньше места, но сами системы получаются невероятно сложными в производстве.
В другом – системы получаются проще, но при этом приходится сносить пару стен, чтобы уместить такие махины в помещениях. Новое открытие ученых в данном случае может привести к компромиссу.
Некоторые исследователи используют проверенные способы захвата кубита, вроде стандартной модели захвата атомов, где используются так называемые ионные ловушки и оптические (лазерные) пинцеты, способные удерживать частицы достаточного долго, что позволяет провести анализ квантовых состояний этих частиц. Другие используют схемы на базе сверхпроводящих материалов, определяя состояние суперпозиций прямо внутри трудно уловимых электрических потоков.
Преимущество таких систем заключается в том, что технологии и оборудование, необходимые для этого, уже существуют. Это делает подобные методы относительно доступными и одновременно простыми.
Основная цена, которую приходится платить, заключается в пространстве. А здесь технология позволяет создавать относительно небольшое количество кубитов.
Создание и хранение сотен и тысяч кубитов внутри одного компактного компьютера сейчас кажется неосуществимой задачей.
Реализовав кодирование информации и в ядре, и в электроне атома ученые получили новый кремниевый кубит, который они назвали «триггерным кубитом».
Его особенность в том, что он может управляться электрическими сигналами, вместо магнитных.
Это означает, что такие кубиты могут поддерживать квантовую запутанность на более удаленном чем раньше расстоянии друг от друга, что делает проще и дешевле масштабируемое производство компьютеров.
«Если в обычной квантовой системе они будут находиться слишком близко или слишком далеко друг от друга, то «запутанность» между кубитами (то, что делает квантовые компьютеры такими особенными) не проявится», — говорит Гильерме Тоси, исследователь Университета Нового Южного Уэльса, придумавший новый тип кубита.
Триггерный же кубит будет способен находиться между двумя этими крайностями, предлагая настоящую квантовую запутанность на расстоянии в несколько сотен нанометров. Другими словами, это может быть именно то, что позволит производить масштабируемые квантовые компьютерные на основе кремниевых материалов.
Для прояснения: в настоящий момент у ученых имеется только схема такого устройства, они его еще не построили. Но как говорит Андреа Морелл, руководитель исследовательской группы, их достижение столь же важно, как и опубликованная в 1998 году в журнале Nature статья Брюса Кейна, положившая начало движения развития кремниевых квантовых вычислений.
«Как и работа Кейна, это лишь теория, предложение. Кубит мы еще не построили», — отмечает Морелло.
«У нас уже есть на руках некоторые начальные экспериментальные данные, которые указывают на возможность создания подобной системы, поэтому сейчас мы заняты тем, чтобы это продемонстрировать. Но в своей основе наша работа носит такой же визионерский взгляд, как это было в случае с оригинальной статьей Кейна».
Как уже указывалось выше, триггерный кубит работает благодаря кодированию информации внутри электрона и ядра атома фосфора, заключенного внутри кремниевого чипа и связан с набором электродов. Вся система затем охлаждается почти до абсолютного нуля и помещается внутрь магнитного поля.
Значение кубита определяется комбинацией бинарного свойства, называемого спином. Если этот спин открыт для электрона и закрыт для ядра, кубит приобретает общее значение «единицы». Если речь идет об обратном порядке, то кубит представляет собой «ноль».
В этом случае управлять кубитом можно с помощью электрического поля, вместо магнитных сигналов, что дает сразу два преимущества.
Во-первых, так гораздо проще интегрировать подобную систему в обычную электронную схему, а во-вторых, и что более важно — в этом случае кубиты способны взаимодействовать между собой на более удаленных расстояниях.
«Для управления кубитом, вам необходимо поместить электрон чуть дальше от ядра, используя электроды на чипе. Делая это, вы также создаете диполь», — говорит Тоси.
«Это критически важно. Так как эти диполи могут взаимодействовать между собой на более дальних расстояниях, вплоть до 1000 нанометров», — добавляет Морелло.
«Это означает, что кубиты на базе одного атома можно расположить гораздо дальше друг от друга, чем ранее считалось возможным.
В таком случае появляется возможность интеграции в систему более классических компонентов, вроде соединительных каналов, управляющих электродов и считывающих устройств, в то же время сохраняя точную «атомную» природу квантового бита.
Производство становится проще, чем устройств атомного уровня, при этом технология позволяет уместить миллион кубитов на площади в 1 квадратный миллиметр».
Все это в общем и целом означает, что триггерные кубиты позволят сохранить баланс между компактными и потенциально доступными квантовыми компьютерами будущего.
«Дизайн уникален и удивителен. И как множество концептуальных предложений заставляет задуматься о том, почему же никто раньше до такого не догадался», — говорит Морелло.
Результаты исследования ученых были опубликованы в журнале Nature Communications.
Источник: https://24hitech.ru/ychenye-izobreli-novyi-tip-kvantovyh-vychislenii.html
Квантовый компьютер против классического: кто кого
Передовые суперкомпьютеры уже способны выполнять десятки квадриллионов операций в секунду. Но есть целый ряд задач, которые они решить не могут. Приведем пример.
Нас всюду окружают криптографические технологии: они используются в мессенджерах или операциях с банковскими картами, криптовалютах, при безопасном хранении данных и так далее.
Информация постоянно шифруется на этапе ее отправки и дешифруется после получения, чтобы ее могли прочитать только те, для кого она предназначена.
Есть различные системы шифрования (AES, RSA), но все они так или иначе строятся на использовании факторизации (разложения на простые множители).
Как вы думаете, какие именно простые числа мы перемножили, чтобы получить число ниже, представляющее собой 2048-битный ключ шифрования (такими ключами, сгенерированными по алгоритму RSA, адресаты обмениваются, чтобы подписывать с их помощью секретные сообщения)?
2048-битный ключ шифрования / Пресс-служба Microsoft
Не трудитесь: узнать, из каких простых чисел они сделаны — сложнейшая задача. Но трудна она не только для вас, но и для классического компьютера. Если мы используем все вычислительные мощности в мире, то ее решение займет миллиард лет! А вот квантовый компьютер смог бы решить ее за 100 секунд. Сделать это позволит его бешеная скорость.
Столь серьезное увеличение в скорости решения задач, кстати, повлечет за собой перестройку всей мировой финансовой системы, ведь без надежного шифрования она просто не сможет функционировать (шутка ли — каждый, у кого будет квантовый компьютер, сможет подделать информацию о том, что владеет любой суммой денег).
Если изобретение квантового компьютера повлечет за собой такие масштабные изменения, может быть, лучше обойтись вовсе без него? Едва ли, ведь пользы от таких машин несравнимо больше, чем хлопот. Существующие двоичные суперкомпьютеры очень мощны, однако, несмотря на впечатляющие характеристики, они вряд ли будут способны решить все задачи, которые планирует поставить перед ними человек.
Сегодня, к примеру, порядка 35% времени суперкомпьютеров уходит на решение задач в области квантовой химии и материаловедения: чтобы просчитывать поведение отдельных молекул, требуются колоссальные затраты вычислительных ресурсов (и речь только о тех задачах, способ решения которых нам известен уже сейчас).
Крепление проводов к квантовому устройству / Пресс-служба Microsoft
В дополнение к этому есть целый ряд задач, решение которых займет у классических компьютеров миллионы лет или которые пока невозможно решить совсем, даже теоретически.
Так, чтобы точно понять, как, к примеру, пойдет та или иная химическая реакция, нужно учитывать задействованные в ней квантовые процессы, а сделать это можно только при помощи квантового компьютера.
В случае успеха это даст людям возможность досконально изучить (а значит, и повторить) такие явление, как, например, фотосинтез.
Почему же квантовые компьютеры такие мощные? Главное, что отличает их от классических двоичных, — использование кубитов, которые, в отличие от битов, способны одновременно принимать два значения: 0 и 1.
Такая «двойственность» обеспечивает параллельность квантовых вычислений, ведь больше не нужно перебирать все возможные состояния системы.
Набор всего из 30 кубитов может сформировать 230 (то есть более миллиарда) двоичных последовательностей — именно такое количество битов потребуется на их одновременную обработку. Просто космическая экономия места, энергии и времени!
На квантовом компьютере мощностью 100-200 кубит мы могли бы строить точные симуляции сложных химических процессов: таких, как, например, азотная фиксация — превращение содержащегося в атмосфере азота в азотосодержащие соединения.
Эта реакция широго используется для получения аммиака, необходимого для производства удобрений, критически важных для обеспечения едой постоянно растущего населения планеты. Промышленный процесс получения аммиака практически не изменился за последнее столетие и отличается большой энергоемкостью: на производство его уходит от 1% до 3% мировых запасов природного газа.
На достаточно мощном квантовом компьютере путем симуляции ученые могли бы подобрать более эффективные катализаторы, которые помогут сделать реакцию менее энергозатратной.
Благодаря квантовому компьютеру могут быть решены и такие задачи, как поиск разумной жизни во Вселенной, разработка новых способов передачи энергии на основе сверхпроводников, диагностирование рака на более ранних стадиях, моделирование молекул ДНК и создание веществ, которые помогут очистить воздух от вредных загрязнений. Высокая вычислительная мощность квантовых компьютеров может серьезно помочь и в создании новых эффективных лекарств.
Обнадеживает то, что человечество все ближе подбирается к созданию полноценного квантового компьютера — мировые корпорации уже давно инвестируют в эту область.
В частности, системы топологических кубитов, созданные в Microsoft, уже показали способность сохранять квантовое состояние в течение длительного времени без дополнительных ухищрений, а также масштабироваться до размеров полноценного компьютера.
А в конце прошлого года компания представила язык программирования для квантового компьютера.
Идея, еще 30 лет назад казавшаяся чистой фантастикой, сегодня приобрела реальные очертания. Кто знает, может, уже в следующем десятилетии мы станем свидетелями новой эры цифровых технологий и квантовый компьютер преобразит наш мир до неузнаваемости, предоставив человеку возможности, о которых ранее он мог лишь мечтать.
Источник: https://naked-science.ru/article/column/kvantovyy-kompyuter-protiv
Графен умеет учиться
Материал графен не перестаёт удивлять. На этот раз в Санкт-Петербургском университете ему придали свойства одновременно кобальта и золота. Соответственно, его наделили магнетизмом и спин-орбитальным взаимодействием.
Графен — самый лёгкий и прочный из всех существующих на сегодня материалов, к тому же обладающий высокой электропроводностью. Оказалось, что при взаимодействии с кобальтом и золотом он не только сохраняет свои уникальные характеристики, но и частично перенимает их свойства!
Уникальную модификацию графена впервые в мире создали исследователи из лаборатории Электронной и спиновой структуры наносистем СПбГУ под руководством доктора физико-математических наук Евгения Чулкова и из лаборатории Физической электроники СПбГУ под руководством доктора физико-математических наук Александра Шикина.
«Классически спин электрона можно представить как «магнит», возникающий вследствие вращения электрона вокруг своей оси, — объяснил Александр Шикин. — При этом электрон вращается ещё и вокруг ядра, что создает круговой ток, а значит, и магнитное поле.
Таким образом, между этим «магнитом» и магнитным полем происходит взаимодействие, которое называется спин-орбитальным.
Собственное спин-орбитальное взаимодействие графена пренебрежимо мало, а у золота оно крайне велико, поэтому взаимодействие золота с графеном приводит к появлению у последнего спин-орбитального взаимодействия, равно как и взаимодействие кобальта с графеном намагничивает его».
Как отметил один изглавных участников исследования, директор ресурсного центра «Физические методы исследования поверхности» Научного парка СПбГУ кандидат физико-математических наук Артём Рыбкин, исследования и подготовка статьи продолжались около трёх лет.
В итоге была синтезирована качественно новая система, состоящая из строго упорядоченного графена на магнитной подложке из кобальта и с ультратонким слоем атомов золота между ними, а затем изучены её свойства.
«Основная часть экспериментальных работ проводилась на уникальной научной установке «Нанолаб», — подчеркнул Артём Рыбкин.
— Таким образом, мы подтвердили, что на нашем оборудовании можно провести все стадии исследования — от синтеза системы до проверки её характеристик.
В дальнейшем мы планируем продолжить исследования графена для использования его в спинтронике — разделе квантовой электроники, основанном на использовании не только заряда электрона, но и другой его характеристики — спина».
Руководитель проекта «Спинтроника» Российского квантового центра Анатолий Звездин высоко оценил исследование университетских ученых: «Сейчас во всём мире идут активные фундаментальные и прикладные исследования в новой области наноэлектроники — спин-орбитронике.
Предлагаются новые элементы памяти, логические элементы и нейроморфные устройства, в которых управление осуществляется так называемыми чистыми спиновыми токами, то есть токами, в которых поток спинов через элемент не сопровождается переносом электрического заряда.
В этом достижение учёных СПбГУ трудно переоценить — оно открывает реальные перспективы использования уникальных свойств графена в спин-орбитронных устройствах нового поколения, что позволит радикально повысить энергоэффективность и быстродействие элементной базы».
Одной из областей применения полученного магнитно-спин-орбитального графена наверняка станет квантовый компьютер. Сейчас элементы информации (кубиты) для квантовых вычислений делаются в основном на холодных атомах или сверхпроводящих переходах.
Основной проблемой прототипов квантовых компьютеров остается скорость: кубиты не успевают сделать нужное количество операций и сохранить результат вычислений из-за взаимодействия с внешней средой.
Одним из решений этой проблемы может стать изготовление кубитов на новых «квантовых» материалах — например, на основе магнитно-спин-орбитального графена.
В исследовании принимали самое деятельное участие Томский госуниверситет, Институт Макса Планка (Германия) и Университет Страны Басков (Испания). Результаты опубликованы в высокорейтинговом журнале Американского химического сообщества Nano Letters.
Источник: http://rusplt.ru/umnaya-rossiya/grafen-umeet-uchitsya-32956.html
Загрузка...