Совместная работа учёных МФТИ, МИСИС и ИТМО позволила в деталях объяснить появление уникальных оптических свойств у кристаллов перовскита. Это один из самых перспективных материалов для оптоэлектроники будущего, понимание основ работы с которым даёт базу для создания компонентов и решений с заданными свойствами. Работа исследователей опубликована в журнале Nano Letters и доступна по ссылке.

Источник изображения: НИТУ МИСИС

Ранее научные коллективы во всём мире сталкивались с тем, что оптические свойства перовскитов проявляли себя не всегда или с разным значением. Речь идёт о зависимости оптических свойств кристаллов перовскитов от выбранного направления, что называется анизотропией. Это необходимо учитывать для создания волноводов, поляризаторов, нанолазеров и других оптических приборов. В одних случаях на выращенных кристаллах анизотропия проявлялась, а в других отсутствовала. Российские учёные выяснили, в чём кроется проблема.

«Форма кристаллов перовскитов определяет степень анизотропии. Если они в плоскости выросли квадратными, то они не будут проявлять анизотропных свойств, а если они стали прямоугольными, то перовскит будут анизотропным. Это удобно — просто взглянул на форму перовскита и понял, какие у него будут оптические свойства», — пояснил научный сотрудник Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ Георгий Ермолаев.

Иначе говоря, российские исследователи на примере перовскита из свинца, цезия и бора (CsPbBr₃) нашли и описали взаимосвязь зависимости анизотропии выращенных кристаллов от условий выращивания и конечной формы кристаллов. Это позволит не бродить в темноте, наугад создавая тот или иной образец перовскитов для экспериментов, а целенаправленно выращивать кристаллы с заданными оптическими свойствами, что, кстати, является одним из основных критериев для массового производства.

Кроме того, учёные обнаружили, что при определённых условиях перовскиты обладают рекордно высоким уровнем оптической анизотропии для всех известных трёхмерных материалов. Это позволяет использовать перовскиты для создания высокоэффективных волноводов и других устройств, позволяющих управлять движением света, что крайне важно для создания оптических аналогов электроники.

«Мы уверены, что перовскиты станут основой посткремниевой электроники. В Лаборатории солнечной энергетики НИТУ МИСИС реализован процесс роста монокристаллов CsPbBr₃ и устройств на их основе. Мы работаем над новыми разновидностями перовскитных кристаллов для оптоэлектронного применения и благодарны коллегам из ИТМО и МФТИ за сотрудничество в сложном и интересном исследовательском проекте», — отметил ведущий инженер Лаборатории перспективной солнечной энергетики Университета МИСИС Артур Иштеев.

Сообщается, что молодые ученые МФТИ первыми в России экспериментально реализовали работающий алгоритм квантового обучения в цепочке сверхпроводящих кубитов. Алгоритмы машинного обучения — это непросто само по себе, а их запуск на кубитах — это совсем иной уровень проблематики. Тем не менее, квантовая нейросеть показала практическую пригодность к решению сложных классических задач с высокой точностью, что также подтолкнёт к покорению новых вершин.

Источник изображения: МФТИ

«Мы нашли удачную структуру квантовой цепочки и алгоритм обучения, который позволяет нам достичь точности 94 % для стандартных задач классификации с несколькими метками и точности 90 % при распознавании рукописных десятичных цифр. Точность и стабильность алгоритма подтверждаются методом перекрестной проверки. Квантовая модель достаточно быстро обучается благодаря возможности эффективного вычисления градиента с использованием необычных свойств квантовых операций», — рассказал Алексей Толстобров (выше на фото), соавтор исследования, сотрудник лаборатории искусственных квантовых систем МФТИ.

Мы довольно давно слышим о машинном обучении и к настоящему времени в этой сфере достигнуты впечатляющие результаты. Взять хотя бы ставший популярным ИИ-бот ChatGPT на большой языковой модели GPT. Но у классических компьютеров (суперкомпьютеров) есть свои и довольно ощутимые пределы, преодолевать которые индустрия намеревается с помощью квантовых систем. Работа российских учёных показывает, что квантовые вычислители или, вернее, симуляторы вполне способны создавать обучаемые нейросети и выполнять алгоритмы, что когда-нибудь позволит сделать прорыв в сфере машинного обучения.

Забавно, но сегодня всё больше причин считать, что вычислительная работа головного мозга в своей основе имеет квантовые явления. Может так статься, что в будущем настоящий ИИ будет построен только на квантовой самообучающейся нейросети, что, как считают специалисты, станет концом человечества, но это уже другая история.

Возвращаясь к работе команды физиков МФТИ, уточним, что она провела цикл экспериментов с моделью гибридного классификатора, работу которой ускорил квантовый симулятор. Симулятор же представлял собой цепочку из нескольких сверхпроводящих кубитов. Модель была обучена решать задачи классификации и распознавания изображений. В частности, решались задачи чётности, обнаружения меток рака молочной железы («есть/нет») и типологии различных вин (многозначная классификация по десятку параметров). Помимо этого, было продемонстрировано решение задачи распознавания рукописных изображений цифр.

На следующем этапе учёные увеличат количество кубитов в квантовом симуляторе, что даст возможность решать более сложные задачи классификации, а также протестируют способность системы решать задачи регрессии и, наконец, попытаются перейти от классических данных к квантовым.

Учёные из НИТУ МИСИС и МФТИ впервые в России создали полностью функциональный квантовый процессор с четырьмя кубитами и продемонстрировали на нём точность выполнения двухкубитных операций CZ более 97 %. Следующим шагом станет разработка 8-кубитных симуляторов и процессоров, что обещает подтолкнуть российских разработчиков к реализации более мощных квантовых вычислителей.

Источник изображений: НИТУ МИСИС

В основе эксперимента лежала созданная в Лаборатории искусственных квантовых систем МФТИ сверхпроводниковая интегральная квантовая микросхема КИМС. Чип содержит пять ёмкостно шунтированных зарядовых сверхпроводящих кубитов, один из которых в данном эксперименте не использовался. Кубиты электрически связаны друг с другом и могут как обмениваться энергией, так и управляемо изменять друг у друга фазу суперпозиций состояний |0⟩ и |1⟩.

Сверхпроводящие кубиты и их конкретное воплощение в виде трансмонов широко используются при создании квантовых вычислителей. Например, трансмоны лежат в основе квантовых компьютеров компаний IBM и Google. В МФТИ также используют этот тип сверхпроводимых элементов, на основе которых спроектировали и изготовили пятикубитный процессор.

Опытный квантовый процессор КИМС МФТИ использует способность кубитов изменять друг у друга фазу суперпозиций состояний для реализации операции CZ — двухкубитной операции, в ходе которой один кубит контролирует поворот другого кубита, что приводит их в состояние квантовой запутанности. Поскольку операция управляемая, это открывает простор для исполнения ряда квантовых алгоритмов, один из которых российские физики успешно и впервые в стране продемонстрировали на четырёхкубитном отечественном квантовом процессоре.

«Для реализации неразрушающего считывания кубитов посредством индивидуальных микроволновых резонаторов исследователи использовали широкополосный джозефсоновский параметрический усилитель, совместно разработанный учеными МФТИ и МИСИС», — сказано в пресс-релизе НИТУ МИСИС.

На представленном изображении ёмкость одного из кубитов представлена зелёным цветом, цепочка резонаторов для индивидуального считывания — красным, индивидуальные управляющие потоковые линии — синим и антенны — жёлтым. Программный код для выполнения алгоритмов создан в НИТУ МИСИС.

«Нам удалось показать высокоэффективные квантовые операции на системе 4-х кубитов, что является уникальным достижением для российских квантовых технологий. В проведенном эксперименте время отдельной логической операции составляет около 0,025 мкс. Это позволяет реализовать более 3200 операций за время жизни квантового состояния процессора. При изготовлении квантовой интегральной микросхемы технологами из МФТИ были отработаны важные особенности технологического процесса, что позволило нам существенно улучшить ключевые характеристики кубитов», — рассказал заведующий Лабораторией искусственных квантовых систем МФТИ Олег Астафьев.

Успешное проведение подобного эксперимента наглядно подтверждает, что уровень развития технологии и экспериментальной базы, достигнутый при сотрудничестве учёных МФТИ и МИСИС достаточен для реализации среднемасштабных квантовых устройств без коррекции ошибок, что они берутся доказать в будущем в процессе создания 8-кубитовых и более мощных квантовых вычислителей.

Выпускникам магистратуры Физтех-школы прикладной математики и информатики (ФПМИ) МФТИ по блокчейну вручили дипломы в виде NFT — это произошло впервые в российской государственной учебной программе. NFT-диплом представляет собой графический видеообъект с информацией о магистранте и годе его выпуска.

Источник изображения: blockchain.mipt.ru

Руководитель магистратуры Владимир Горгадзе отметил, что технология NFT зарекомендовала себя с хорошей стороны не только как инструмент для коллекционеров, но и как универсальное средство, подтверждающее владение цифровыми активами. Цифровой документ заверен электронными подписями всех членов аттестационной комиссии — его невозможно видоизменить или подделать. С NFT выпускник получает право владения цифровым активом, а автором остаётся магистратура по блокчейну ФПМИ МФТИ. Объекты были созданы в сети Ethereum на платформе OpenSea.

В России подобный формат выбран государственным образовательным учреждением впервые, но в мировой практике прецеденты уже есть. Блокчейн для выдачи дипломов ещё в 2017 году использовали в Массачусетском технологическом институте. В 2021 году из-за большого числа поддельных документов об образовании индийский штат Махараштра ввёл аттестацию на базе Ethereum. В 2022 году NFT-дипломы выдали южнокорейские университеты Сонгюнгван и Хосео.

При необходимости происхождение документа легко отследить и убедиться в его подлинности. А доступ к нему можно мгновенно получить из любой точки мира.

Современные нейроморфные процессоры, производимые на основе классических КМОП-техпроцессов, сильно ограничены в возможностях имитировать мозг биологических существ. Проблема в том, что для работы каждого искусственного нейрона необходимо примерно 20 транзисторов, что ведёт к высокому потреблению энергии искусственными мозгами и к серьёзному тепловыделению. Российские учёные придумали, как решить эту проблему.

Источник изображения: Nanomaterials

«Лучшие на сегодня нейроморфные системы имитируют сети, состоящие примерно из одного миллиона нейронов и четверти миллиарда синапсов. Однако самые амбициозные биологические проекты ставят цели достичь 10 миллиардов нейронов и 100 триллионов синапсов. Стремление к такой высокой сложности требует решений на основе новых физических принципов передачи и обработки сигналов. Мы исследовали двух- и трёхпереходные сверхпроводящие квантовые интерферометры с джозефсоновскими контактами на основе золотых нанопроволок», — рассказал директор Центра перспективных методов мезофизики и нанотехнологий МФТИ Василий Столяров.

Учёные из МФТИ и МГУ им. М. В. Ломоносова предложили для реализации сверхпроводящих аналогов нейронов решение с использованием нанопроводов из золота. Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда, и завершилась она публикацией в журнале Nanomaterials.

Учёные реализовали искусственный нейрон с помощью только двух джозефсоновских контактов. Это на порядок меньше, чем при использовании транзисторов в нейроморфных процессорах. К примеру, нейроморфный процессор Intel Loihi II представляет собой 1 млн искусственных нейронов и при этом содержит 2,3 млрд транзисторов (далеко не все из них идут на имитацию нейронов, но всё же).

Джозефсоновский переход — это контакт двух сверхпроводников через слой диэлектрика. При переключении перехода происходит строго дозированный всплеск напряжения, форма которого близка к форме импульса в нейросети живого мозга. Пара таких переходов и нанопроволока из золота успешно имитируют работу одного нейрона и довольно экономично с точки зрения потребления энергии. Всё что необходимо для достижения нужного эффекта — это охладить массивы до криогенных температур вблизи абсолютного нуля.

На основе подобных нейронов можно будет создавать массивы из нескольких миллиардов искусственных нейронов и удержаться в рамках разумного бюджета потребления. Тем самым искусственный мозг может вырасти в возможностях до мозга медведя (9,5 млрд нейронов) и жирафа (10,75 млрд нейронов), тогда как возможности процессора Intel Loihi II — это мозг насекомых.

Более того, российские учёные разработали вариант искусственных нейронов, имитирующих работу в особых биологических условиях — под воздействием медикаментов или с повреждениями. Это придаст исследованиям новое направление, связанное с изучением деятельности мозга в нестандартных условиях.

Николай Клёнов, доцент МГУ им. М. В. Ломоносова, добавляет: «Предлагаемый нейрон способен имитировать биологическую активность, соответствующую типичной реакции нейрона на обычную внешнюю стимуляцию, а также на допороговое раздражение. Кроме того, он имитирует режим травмы — биофизическую аномалию, вызванную различными нервными заболеваниями и повреждениями нейронов, и взрывной режим».

Инженеры Московского физико-технического института (МФТИ) спроектировали чип для цифровых приёмопередатчиков спутников. Одна микросхема заменяет целый набор чипов, что упрощает конструкцию приёмников космических аппаратов и повышает как качество связи с ними, так и управление.

Источник изображения: МФТИ

Высококачественная связь со спутниками идёт рука об руку с тенденцией снижения стоимости запуска и самих космических аппаратов. Точнее, при снижении стоимости и габаритов космических платформ качество связи должно неуклонно повышаться, а это повышает требования к приёмопередающей аппаратуре на борту, в задачу которой также входит контроль орбиты и лётных параметров. Разработанный сотрудниками лаборатории прикладных нанотехнологий МФТИ чип и плата (преимущественно на отечественной базе) решают все поставленные задачи вкупе с относительной простотой и разумной стоимостью.

«Плата достаточно проста, но обладает своими уникальными характеристиками и обеспечивает двухстороннюю коммуникацию космических аппаратов с Землёй: принимает сигнал, обрабатывает его и передаёт информацию в цифровом виде дальше. Ещё одно преимущество нашей разработки в том, что операции по обработке сигнала происходят на одном кристалле, а не на нескольких микросхемах, как обычно», — рассказал о проекте заведующий лабораторией прикладных нанотехнологий Михаил Рыжаков.

Плата цифрового приемника состоит из двухканального аналого-цифрового и цифро-аналогового преобразователя, блока распределения тактового сигнала, цифрового модуля, постоянного запоминающего устройства и блока интерфейсов. Для уменьшения размеров разработчики максимально сократили преобразование сигналов в аналоговом виде, переложив основную роль на цифровую часть. Аналоги решения есть у компаний Boeing, Airbus и Thales, хотя российская разработка смогла предложить нечто уникальное — совместить функции целого прибора всего в одной микросхеме.

«На базе разработанной нами платы АО “Российские космические системы” создаёт приёмо-передающее устройство для управления космическими аппаратами различного назначения. По сравнению с существующей аппаратурой оно будет обладать улучшенными характеристиками в части помехоустойчивости, приёма управляющей информации, надёжности и точности измерения текущих навигационных параметров движения аппарата», — добавил Михаил Рыжаков.