Фосфор, как и графен способен образовывать атомарно тонкие полупроводниковые структуры. Это открывает перед ним дорогу в аккумуляторы, солнечные элементы и датчики, которые благодаря этому веществу могут стать лучше. Но всё упирается в проблемы при переходе из лабораторий в массовое производство. Помочь с этим фосфору взялись британские учёные, и у них всё может получиться.

Источник изображения: University College London

Университетский колледж Лондона начал проводить эксперименты с нанонитями фосфора с 2019 года. Нанолисты на основе фосфора впервые были получены учёными в 2014 году. С тех пор исследователи опубликовали свыше 100 статей об этом материале и преимуществах его использования в датчиках и в электронике в целом. Со временем выяснилось, что получение из страниц нанонитей фосфора также позволяет улучшать и изменять свойства материалов, но простых технологий для этого не было.

Британские учёные начали выделять фосфорные нити из листов около четырёх лет назад и вскоре выяснили, что легирование фосфора мышьяком даёт дополнительные преимущества перспективному материалу. В частности, мышьяк обеспечивает нанонитям электронную и дырочную проводимость, что избавляет от необходимости использовать в соединениях с фосфором углерод. Тем самым, например, при изготовлении анодов батарей с использованием нановолокон из фосфора и мышьяка ёмкость аккумуляторов будет выше за счёт удаления из состава электродов углерода.

Аналогично улучшается внутренняя проводимость солнечных батарей и повышается чувствительность датчиков, если в состав материалов для них вводятся нанонити из фосфора, легированного мышьяком.

Для массового производства «чудо-материала» учёные из Университетского колледжа Лондона предложили смешивать кристаллические структуры из листов фосфора и мышьяка с литием, растворённым в жидком аммиаке при температуре -50 °C. Через сутки аммиак удаляется и заменяется органическим растворителем. Атомарно тонкая структура нанолистов позволяет ионам лития перемещаться только в одном направлении, что ведёт к образованию продольных трещин и, в итоге, к образованию множества нановолокон. Эта технология подходит для массового производства нанонитей, утверждают учёные и надеются этим заинтересовать производителей.

Научные исследования становятся всё сложнее и дороже, что ограничивает к ним доступ лабораториям и коллективам без больших бюджетов. Группа учёных смогла решить эту проблему в сфере 3D-печати живых тканей человека — она создала сложнейшее и дорогое оборудование из обычных наборов LEGO и готова поделиться опытом со всеми желающими.

Источник изображений: Cardiff University

Промышленный 3D-биопринтер стоит десятки и даже сотни тысяч долларов США. Группа исследователей из Кардиффского университета (Великобритания) решила для себя вопрос покупки принтера приобретением нескольких наборов LEGO общей стоимостью в $624. Самыми дорогими, по-видимому, оказались интеллектуальный блок Lego Mindstorms и лабораторный насос.

LEGO-принтер печатает биогелем, в котором растворены клетки кожи человека. Сопло принтера создаёт трёхмерную модель тканей кожи в чашке Петри, укладывая в неё слой за слоем. В дальнейшем учёные намерены изучить работу с разными составами геля и соплами разного диаметра, чтобы попытаться максимально точно воспроизводить кожную ткань человека.

Всё эту нужно для получения множества образцов живой ткани для проведения медицинских опытов. В обычных условиях биологический материал получают либо от доноров, либо в виде отходов после операций. В обоих случаях процедура и порядок получения биоматериалов достаточно сложные и становятся всё сложнее и сложнее, поэтому даже такой доморощенный принтер из конструктора LEGO может быть приемлемым решением для медицинских экспериментов.

Данные о разработке с детальным описанием сборки, настройки и работы принтера изложены в журнале Advanced Materials и свободно доступны по ссылке. Повторить работу может любой желающий.

К моменту строительства космических баз на Луне, Марсе и где-то ещё у нас должны быть развиты соответствующие технологии. Их основой станет производство строительных материалов на месте. Ракетами с Земли кирпичей не навозишь. Поэтому ряд земных лабораторий и компаний заняты изобретением технологий и составов стройматериалов из местного сырья с добавлением привозного. Многообещающей добавкой оказался картофельный крахмал.

Образцы кирпичей с добавлением крахмала. Источник изображения: Open Engineering/CC BY 4.0

В недалёком прошлом на роль скрепляющих материалов для производства «космического» бетона пробовали мицелий грибов, а также пот, мочу и кровь колонистов. Исследователи из Манчестерского университета предложили использовать картофельные чипсы с большим содержанием крахмала и остаточными следами влаги. Из мешка чипсов весом 25 кг можно произвести почти полтонны фирменного состава StarCrete, которого хватит на изготовление 213 «космических» кирпичей.

Кирпич из смеси крахмала и имитатора лунной пыли выдерживал давление 91 МПа. Кирпичи из смеси крови и пыли оказались менее прочными — выдерживали сжатие до 40 МПа. Обычный бетон, для сравнения, выдерживает давление 32 МПа (надо понимать, это усреднённая величина). Дополнительную прочность кирпичам с добавлением крахмала придало добавление соли в раствор. Это может быть минеральная соль с поверхности планеты и даже соль из слёз космонавтов.

Источник изображения: Open Engineering

Интересно, что на Земле тоже найдётся ниша для использования кирпичей из картофеля. Считается, что производство бетона и цемента ведёт к выбросу примерно 8 % парниковых газов. Выращивание картофеля и превращение его в строительный материал уменьшит выбросы и увеличит поглощение CO₂ из воздуха пока картофель будет расти на грядках. Для продвижения идеи была создана компания DeakinBio. Если технология найдёт применение на Земле, считают разработчики, её будет легче распространить на использование в космосе.

На днях мир облетела новость о достижении сверхпроводимости при комнатной температуре. О прорыве в самом авторитетном в мире научном журнале Nature сообщили учёные из университета Рочестера в Нью-Йорке. Материал в Nature стал спусковым крючком для появления восторженных публикаций во всех мировых СМИ. Отдельные осторожные голоса практически потонули в общей массе восторгов, но теперь критика возвращается.

Источник изображения: Adam Fenster/University of Rochester

На этой неделе на сайте arXiv вышел препринт статьи учёных из Пекина и американского штата Иллинойс, в которой рассказано о попытке воспроизвести условия «рочестерского эксперимента». Учёные синтезировали легированный азотом гидрид лютеция (LuH_2±xN_y) темно-синего цвета и с соответствующей структурой. После они попытались добиться от него перехода в сверхпроводимое состояние. Материал действительно стал сверхпроводимым, но отнюдь не в условиях комнатной температуры (21 °C) и сравнительно низкого давления (1 ГПа), как заверяли учёные из университета Рочестер

При атмосферном давлении наблюдалось металлическое сопротивление при температуре от 350 до 2 К (от 76,85 до -271,15 °С). При приложении давления от 2,1 до 41 ГПа наблюдалось постепенное изменение цвета от темно-синего, фиолетового до розово-красного. Измеряя сопротивление при давлении от 0,4 до 40,1 ГПа наблюдалось прогрессивно улучшающееся металлическое сопротивление без сверхпроводимости вплоть до 2 К. Температурная зависимость намагниченности при высоких давлениях показывает очень слабый положительный сигнал между 100 и 320 К (-173,15 и 46,85 °С), и намагниченность увеличилась с магнитным полем при 100 К. Учёные заключили, что при давлении ниже 40,1 ГПа добиться сверхпроводимости от обозначенного гидрида лютеция невозможно.

«В препринте статьи для Nature с описанием опыта китайские и американские исследователи явно не смогли даже отдалённо воспроизвести [заявленные ранее] результаты, — сказал в пятницу на конгрессе один из ведущих китайских физиков, комментируя сообщения о «комнатной» сверхпроводимости. — Если бы они это сделали, это была бы революция».

Сверхпроводимость при комнатной температуре действительно изменит мир до неузнаваемости. Она революционизирует транспорт, выработку и распределение электрической энергии, управление термоядерными реакциями, медицину и многое другое. К сожалению, это остаётся мечтой, несмотря на интенсивные поиски учёных во всём мире. Отдельные эксперименты дают надежду, но она продолжает оставаться призрачной.

Лаборатория нетрадиционных вычислений в Университете Западной Англии в Бристоле занялась проблематикой грибных компьютеров — вычислительных систем на основе жизнедеятельности грибных культур. Предыдущие исследования и новые эксперименты обнаруживают в грибных организмах признаки, схожие с деятельностью нервных тканей мозга человека. Британские учёные намерены создать на этой основе нейроморфные вычислители и найти их признаки в живой природе.

Источник изображений: Andrew Adamatzky

Ранее специалисты лаборатории работали со слизистой плесенью Physarum polycephalum. Этот биологический организм интересен тем, что способен самостоятельно выполнять простейшие алгоритмы. В своё время были представлены роботизированные системы под управлением Physarum polycephalum. Например, такая платформа без программирования могла ориентироваться в лабиринте и, если брать шире, позволяла решать задачу Штейнера о минимальном дереве.

С 2016 года или около того, сообщает Popular Science, лаборатория перешла на изучение грибных культур. Сегодня не первое апреля и этот материал не следует расценивать как шутку, о чём сразу подумало множество подписчиков журнала. Специалистам лаборатории удалось первыми обнаружить электрические сигналы в грибнице, напоминающие спайки — потенциалы, распространяющиеся в нервной ткани человека и животных, включая головной мозг.

Эксперимент по выращиванию грибниц на материнской плате

Присутствие «нервных» сигналов, распространяющихся в мицелии грибов, открывает перспективу разработки нейроморфных компьютеров на базе грибниц. Подобное можно перенести на живую природу с перспективой заплести нейроморфными сетями всю планету. Более того, учёные обнаружили, что стимуляция одних и тех же участков мицелия улучшает проводимость импульсов. Тем самым можно говорить об эффекте памяти. Всё сходится — мицелий позволяет организовать сеть, логику и память. Правда, как всё это организовать в нужную и программируемую архитектуру учёные пока не знают, но стремятся понять.

Фиксация электрической активности в мицелии

«Сейчас это только технико-экономические исследования. Мы просто демонстрируем, что с помощью мицелия можно осуществлять вычисления, реализовывать основные логические схемы и основные электронные схемы, — говорит глава лаборатории Эндрю Адамацки (Andrew Adamatzky). — В будущем мы сможем выращивать на мицелии более совершенные компьютеры и устройства управления».

Учёные из британских университетов Ланкастера и Уорвика создали стартап для коммерческого продвижения универсальной памяти, которая будет быстрее оперативной памяти и сможет хранить данные без питания, как флеш-память. Память под названием UltraRAM станет основой для мгновенно включающихся компьютеров и искусственного мозга.

Источник изображения: Quinas Technology

Регистрация компании Quinas Technology состоялась в начале февраля 2023 года. Имя Quinas выбрано из сочетания слов «квантовый» и «арсенид индия». Память UltraRAM работает за счёт эффекта туннелирования электронов через барьер в ячейку памяти и обратно, а в качестве одного из базовых материалов используется арсенид индия.

Память UltraRAM разрабатывают физики университетов Ланкастера и Уорвика. Первые научные статьи, посвящённые разработке, начали появляться в Nature с 2019 года. Год назад в производственной лаборатории Университета Уорвика был создан действующий прототип памяти UltraRAM для подтверждения её характеристик. Тем самым технология созрела для перевода на коммерческие рельсы и дело подошло до создания компании, которая могла бы заняться практической стороной вопроса.

С основанием Quinas Technology в разработку и совершенствование памяти UltraRAM потекут деньги инвесторов и государственных программ. Это очевидным образом позволит ускорить появление как предсерийных образцов, так и массовых, хотя это дело даже не завтрашнего дня. И всё же, память UltraRAM потенциально способна однажды занять нишу между оперативной и энергонезависимой памятью.

Чипы UltraRAM смогут хранить информацию до 1000 лет и потреблять на перезапись каждого бита в 100 раз меньше энергии, чем DRAM, и в 1000 раз меньше, чем NAND. Устойчивость к износу также будет выше, чему у NAND, — не менее 10 млн циклов стирания. Сегодня эта память стала на шаг ближе к массовому внедрению.

Традиционно красные, зелёные и синие субпиксели изготавливаются бок о бок и собраны в так называемые RGB-триады. Вместе они представляют один пиксель цветного изображения на экране, который может принимать любой цвет из доступного спектра. Международная группа учёных придумала технологию производства дисплеев micro-LED, где все три субпикселя укладываются вертикально друг на друга, что резко повышает разрешение экранов и качество картинки.

Источник изображения: Younghee Lee / MIT

Результаты работы были опубликованы в журнале Nature. Исследование провели учёные из Массачусетского технологического института, а также сотрудники Европейского технологического института Джорджии, Университета Седжонг и нескольких университетов США, Франции и Кореи.

Ранее группа учёных из MIT разработала метод изготовления чистых, ультратонких, высокопроизводительных полупроводниковых мембран с целью создания более компактной, тонкой, гибкой и функциональной электроники. Практически речь идет о создании двумерных или атомарно тонких материалов. В частности, группа разработала метод выращивания и отслаивания идеального двумерного монокристаллического материала от пластин кремния и других поверхностей. Этот подход был назван переносом слоя на основе двумерного материала — 2DLT.

В текущем исследовании ученые использовали этот же подход для выращивания ультратонких мембран красных, зеленых и синих светодиодов. Затем они отделили целые светодиодные мембраны от базовых пластин и сложили их вместе, чтобы получить слоёный пирог из красных, зеленых и синих мембран. После этого многослойная структура разрезалась на крошечные одиночные вертикальные пиксели, каждый из которых имел ширину всего 4 микрона.

С пикселем подобной ширины можно создать полноцветный светодиодный дисплей с плотностью 5000 точек на дюйм. Если бы все цветные субпиксели располагались рядом, а не вертикально один над другим, плотность сразу стала бы меньше. Эксперимент показал, что если на красную мембрану подавать больший ток, а на синюю меньший, то в итоге стопка пикселей светится розовым — налицо смешение цветов, как это происходит в дисплеях с горизонтальным размещением субпикселей.

«Это самый маленький микро-светодиодный пиксель и самая высокая плотность пикселей, о которой сообщалось в журналах, — заявил ведущий автор исследования. — Мы показали, что вертикальная пикселизация — это путь к дисплеям с более высоким разрешением при меньшей площади».

Следует добавить, что отдельные производители микродисплеев могут серийно выпускать дисплеи с более высоким разрешением, например, 12 000 ppi. В то же время в исследовании идёт речь о дисплеях micro-LED и для них планка в 5000 ppi пока никем не взята. Также необходимо учитывать сложность выравнивания субпикселей при сборке полноцветных micro-LED дисплеев. Красные, зелёные и синие массивы светодиодов для них изготавливаются отдельно и совмещаются на финальном этапе производства. Малейшая неточность совмещения отправляет изделие в брак. Предложенная технология вертикального совмещения в таком случае происходит проще и с более высокой точностью.

На следующем этапе работы учёные будут учиться создавать массивы пикселей из вертикально сложенных субпикселей. Пока они создали и испытали только одиночный пиксель, и путь к дисплею займёт какое-то время.

Потенциальные преимущества квантовых расчётов с одновременным представлением каждого кубита бесконечным числом вариантов от 0 до 1 нивелируется их крайней нестабильностью. Учёные всего мира ищут возможность продлить квантовые состояния кубитов до возможности запуска на них сложных алгоритмов. Речь идёт хотя бы о секундах, не говоря о более длительном времени. Возможно, с этим смогут помочь немецкие учёные, которые предложили новый тип кубитов.

Источник изображения: Dennis Rieger, KIT

Исследователи из Технологического института Карлсруэ разработали сверхпроводящие кубиты, которые они назвали «гральмониевыми» (gralmonium) по аналогии с уже разработанными флюксониевыми кубитами. Традиционно сверхпроводящие кубиты используют так называемый эффект Джозефсона и структуру (переход), называемый джозефсоновским контактом. Квантовые состояния на таких контактах остаются неизменными тем дольше, чем меньше дефектов в материале. Но определить чистоту материала можно до определённой степени. Разработка немецких учёных обещает помочь с этим и вывести сверхпроводящие квантовые кубиты на новый уровень стабильности.

Сообщается, что вместо двух алюминиевых пластин, разделённых слоем диэлектрика, на чём обычно строится джозефсоновский контакт, исследователи взяли гранулированный алюминий с размерами гранул в несколько нанометров и поместили его в оксидный каркас. После процесса самоорганизации в структуре материала возникло множество микроскопических джозефсоновских контактов, что позволило детектировать мельчайшие дефекты в материале. Джозефсоновский контакт размерами 20 нм как увеличительное стекло выявил все неразличимые до этого дефекты, отметили учёные.

Столь небольшой по размерам джозефсоновский контакт открывает путь к значительному улучшению свойств кубитов, включая повышение их стабильности. Разработка запатентована и ждёт своего развития, которое, очевидно, вскоре последует.

Выращенные из стволовых клеток ткани человеческого мозга имплантировали в мозг мыши, после чего учёные впервые смогли наблюдать за реакцией внешних раздражителей на вживлённые в чужеродный мозг искусственные ткани. Помогли в этом специальные графеновые электроды, которые сочетали прозрачность и электрическую чувствительность.

Источник изображения: David Baillot

Прогресс в исследованиях со стволовыми клетками дошёл до того, что учёные научились выращивать трёхмерные клеточные популяции, имитирующие настоящие органы человека. И хотя до выращивания полноценных органов ещё далеко, органоиды открывают возможность изучать влияние лекарств и процессов максимально близко к биохимическим процессам в органах живых людей без необходимости рисковать здоровьем пациентов в клинических испытаниях. По крайней мере, на раннем этапе испытания лекарств.

Ранее мы сообщали, что учёные провели ряд экспериментов с органоидом мозга человека — клеточной популяцией, выращенной из индуцированных стволовых клеток в примитивное подобие человеческого мозга. В Стэнфордском университете учёные не только смогли научить органоид мозга играть в компьютерную игру Pong, но также провели опыт по имплантации тканей органоида в мозг новорожденных крыс, где те успешно прижились.

Исследователи из Калифорнийского университета (UC) в Сан-Диего развили работу коллег, показав, что органоиды человеческого мозга, имплантированные мышам, способны реагировать на внешние раздражители. В частности, ткани органоида мозга были вживлены в зрительную кору мышей.

Для контроля над экспериментом поверх клеток органоида расположили прозрачный графеновый электрод. Прозрачный электрод позволил изучать ткани мозга на глубину с помощью двухфотонного лазерного микроскопа. Это позволило увидеть, как кровеносные сосуды мозга мыши проникают в органоид и начинают питать его всем необходимым для жизни клеток. Электрические датчики графенового электрода снимали активность нейронов в органоиде и в родной зрительной коре мозга мыши.

Опыт показал, что вспышки света перед глазами мыши сопровождались активностью тканей органоида. Проще говоря, ткани «человеческого» мини-мозга вжились в структуру мозга мыши и начали принимать участие в его работе по прямому назначению — реагировать на внешние раздражители. В данном случае — на свет, что позволило впервые уверенно сказать, что искусственный мозг ведёт себя как настоящий. На таком мозге возможно будет испытывать новые лекарства и проверять новые методики, а значит, дело с поиском средств для лечения множества опасных и даже смертельных болезней пойдёт намного быстрее.

Учёные из Технического университета Дании (DTU) осваивают новый инструмент — наногравёр NanoFrazor. Устройство способно создавать рельеф с разрешением в несколько нанометров. Это как станок ЧПУ, только для обработки практически двухмерных материалов. С помощью NanoFrazor учёные намерены создать уникальные датчики для квантовых устройств, биологических исследований и много другого.

Источник изображения: DTU Physics

Для изучения возможностей нового инструмента исследователи создали самую маленькую в мире «виниловую» пластинку с настоящей стереодорожкой первых 25 секунд песни «Rockin' Around the Christmas Tree». Левый канал был закодирован в изгибах дорожки, а правый — в глубине канавки по всей длине. Правда, чтобы проиграть запись, понадобится либо такой же NanoFrazor, либо атомно-силовой микроскоп.

«Тот факт, что мы теперь можем точно формировать поверхности с наноразмерной точностью практически со скоростью воображения, является для нас переломным моментом, — сказал доцент Тим Бут (Tim Booth). — У нас много идей, что делать дальше, и мы уверены, что эта машина значительно ускорит создание прототипов новых структур. Наша главная цель — разработать новые магнитные датчики для обнаружения токов в живом мозге [...] Мы также с нетерпением ждём создания точно сформированных потенциальных ландшафтов, с помощью которых мы сможем лучше управлять электронными волнами».

Устройство вырезает нанорельеф в специальном пластике. Это даёт возможность создавать форму будущего датчика любой сложности. На форму можно наложить монослой графена, и тогда лист графена примет необходимую для проведения экспериментов пространственную форму. Подобные датчики можно создать с невероятной чувствительностью, что позволит, например, регистрировать электрический (нервный) импульс от каждого нейрона в мозге человека. Такие же датчики могут помочь различать движение отдельных электронов в составе квантовых устройств и выполнять другие невозможные до сегодняшнего дня измерения.

Учёные приступают к механической обработке материалов на таком уровне, о котором десять-пятнадцать лет назад даже не мечтали. И если 200 лет назад чудом называли подкованную блоху, то сегодня инструмент типа NanoFrazor может легко написать пару строк на одном-единственном эритроците.

Природа в очередной раз подсказала путь к открытию. Учёные из Кентского университета в Кентербери, Англия, использовали белок под названием талин для создания нового амортизирующего материала, способного без разрушения останавливать летящие со сверхзвуковой скоростью снаряды. Такой материал найдёт применение в бронежилетах, на транспорте, а также в авиации и космонавтике. И носимой электронике такая защита тоже не помешала бы.

Источник изображения: Wikimedia / Nathan Boor & Kurt Groover of Aimed Research

В составе живых клеток белок талин служит «естественным амортизатором». Его структура на молекулярном уровне демонстрирует способность разворачиваться при растяжении после ударного воздействия и после рассеяния ударной энергии снова сворачиваться в первоначальную форму. Иными словами, белок в целом не разрушается и может многократно выполнять задачу амортизатора, чего не скажешь об обычных материалах, используемых, например, в бронежилетах.

На основе талина британские учёные создали амортизирующий материал TSAM (Talin Shock Absorbing Material). Для этого к нему добавили другие ингредиенты и провели полимеризацию. Процесс сохранил основные амортизирующие свойства талина. Для проверки этого материал TSAM подвергся бомбардировке базальтовыми частицами размером около 60 мкм — это чуть меньше диаметра человеческого волоса, а затем по нему на скорости 1500 м/с ударили частицами большего размера из алюминия. Во всех случаях удар был полностью поглощён, а сами частицы в процессе не были разрушены.

Серия проведённых экспериментов лишь показала потенциал разработки, поэтому говорить об остановке пушечного снаряда пока преждевременно. Тем не менее, надежда на появление нового амортизирующего материала есть, и она вдохновит не только военных, но также космонавтов и даже нас с вами, которым неубиваемость смартфонов важна не просто в виде шутки о «бессмертной» Nokia, но очень пригодилась бы в повседневной жизни.

Учёные из Рурского университета в Бохуме предложили невероятную концепцию переключателей (транзисторов), которые работают намного быстрее современных полупроводников. В основе перспективных электронных приборов предложено использовать солёную воду. Управление затворами возложено на лазеры, они же будут создавать условия для работы затворов. Такие схемы смогут работать с частотой 1 ТГц и это открывает путь к принципиально новой производительности процессоров.

Источник изображения: Adrian Buchmann

Сразу подчеркнём, что речь идёт лишь о новой и испытанной в лабораторных условиях концепции. Что из этого получится и получится ли вообще что-то, этого сегодня никто не знает. Даже учёные, которые всё это придумали и испытали. С самой работой можно ознакомиться в статье в журнале APL Photonics. Она свободно доступна по ссылке.

Для любого человека, мало-мальски представляющего себе, что такое электрический ток, вода представляется крайне опасной. Тем удивительнее опыт использования воды в качестве базового переключателя состояний электронной схемы.

Для эксперимента учёные заказали специальное сопло для придания струе воды заданной экспериментом конфигурации — плоской струи микронной толщины. Для придания воде заданной проводимости в ней были растворены соли, наделившие её йодид-ионами. Работает такой водный транзистор под воздействием двух лазеров: один лазер выбивает электроны из растворимых солей и ещё сильнее ионизирует жидкость — фактически кратно повышая её проводимость, а второй лазер считывает состояние, в котором находится вода, попутно управляя включением и выключением водного транзистора.

Высокая скорость работы лазера обеспечивает воде скорость переключения состояния за считанные пикосекунды. Тем самым потенциальная скорость работы процессора на таких транзисторах переходит в терагерцовый диапазон. Современные полупроводниковые материалы даже не мечтают туда попасть. Но окажутся ли там транзисторы из воды — это тоже вопрос.

Учёные из Амстердамского университета в Нидерландах предложили сравнительно простую модель чёрной дыры, которую относительно легко можно воспроизвести в лабораторных условиях. Эксперименты с моделями чёрных дыр представляются новым уровнем изучения этих объектов, которые в природе нам недоступны. Это обещает дать обширный материал для открытия множества новых фундаментальных явлений в физике, чего невозможно добиться одной лишь математикой.

Источник изображения: Yukterez/Wikimedia Commons, CC BY-SA 4.0

Физическое моделирование поведения чёрной дыры возможно благодаря квантовым свойствам этих явлений. Точнее, моделирование квантовых явлений позволяет отождествить их с поведением чёрных дыр. За горизонтом события чёрных дыр свет и другое электромагнитное излучение не может покинуть этот объект. Но на уровне квантовых явлений частицы могут проникать даже из-за горизонта событий, что получило название излучения Хокинга.

В природе излучение Хокинга невозможно зафиксировать никакими приборами — оно сродни тепловому излучению и в миллионы раз слабее реликтового излучения. Ценность предложенной нидерландскими учёными физической модели чёрной дыры заключается в том, что она позволяет регистрировать имитацию излучения Хокинга с точностью, которая математически соответствует природному поведению чёрных дыр.

Предложенная физиками модель чёрной дыры представляет собой линейную цепочку атомов, по которой могут передвигаться электроны. Система настроена таким образом, что у неё имеется свой горизонт событий — барьер, через который электроны не в состоянии пройти. В то же время опыты показали, что хорошо известный в квантовом мире эффект туннельного перехода электронов проявляет себя в полной мере, позволяя им проникать из-за «горизонта событий» модели чёрной дыры.

Преодоление электронами искусственного горизонта событий сопровождалось заметным повышением температуры, которое соответствовало теоретическим расчётам для эквивалентной системы черных дыр. Это явление в значительной степени напоминало излучение Хокинга. В природе мы не можем зарегистрировать такие явления, но в лаборатории, похоже, всё это поддаётся моделированию и изучению.

Группа физиков из Университета Квинсленда провела компьютерное моделирование, которое теоретически обосновало наличие у чёрных дыр квантовых свойств. Учёные взяли самую легко вычисляемую и неотъемлемую характеристику чёрной дыры — её массу, и показали, что чёрная дыра может быть одновременно тяжёлой как миллионы солнц и лёгкой как атом. Совсем как легендарный кот Шрёдингера, который и жив и мёртв одновременно.

Источник изображения: NightCafe Creator AI

Гипотезу о дискретных значениях масс чёрных дыр (точнее, допустимых диапазонов масс подобно наличию энергетических уровней электронных орбит), в своё время выдвинул американо-израильский физик-теоретик Яаков Давид Бекенштейн. Новое исследование во многом подтвердило его теорию — математически у чёрных дыр действительно оказался чётко выраженный диапазон допустимых масс. Но что более важно, теоретический эксперимент показал суперпозицию по массам. Проще говоря, чёрные дыры с точки зрения математики (которая никогда не ошибается), имеют разные массы одновременно.

«Мы хотели выяснить, могут ли [чёрные дыры] одновременно иметь дико разные массы, и оказалось, что да, — сказал ведущий автор исследования Джошуа Фу (Joshua Foo), доктор физико-математических наук из Квинслендского университета. — До сих пор мы глубоко не исследовали, демонстрируют ли чёрные дыры некоторые из странных и удивительных свойств квантовой физики».

Если чёрные дыры обладают квантовыми свойствами в отношении масс, то им присущи и другие квантовые свойства. Звучит интригующе, ведь мы до сих пор были уверены, что пересечение мира субатомных частиц с его квантовой механикой невозможно с тем миром, который мы видим и осязаем вокруг себя тем или иным образом. Оказалось, хотя это пока только математика, макрообъекты потенциально могут быть одновременно и живы и мертвы, создавать квантовую запутанность и, как следствие, проявлять квантовую телепортацию.

Британский стартап Quantum Motion показал квантовый чип с 1024 кубитами, для производства которого прекрасно подошли современные техпроцессы и линии для выпуска полупроводников. Чип изготовлен на обычной 300-мм пластине на линиях неназванной компании. Предложенное решение обещает беспрецедентное масштабирование кубитов и простоту управления ими, хотя разработчики честно сообщают, что до появления универсальных квантовых компьютеров может пройти до 20 лет.

Квантовый чип Bloomsbury (нажмите для увеличения). Источник изображения: theregister.com

Компания Quantum Motion занимается направлением так называемых спиновых кубитов. Здесь производство кремниевых чипов подходит максимально хорошо. На подложке создаются ловушки для одиночных электронов, спины которых определяют квантовые состояния этих частиц. Они же играют роль кубитов, которыми можно управлять и которые можно считывать. Например, спиновые кубиты на 300-мм кремниевых подложках также научилась воспроизводить компания Intel, хотя за много лет дальше 2-кубитовых решений она так и не продвинулась. На этом фоне 1024-кубитовый чип Quantum Motion выглядит настоящим прорывом. Другое дело, является ли он таковым по сути?

«Когда вы говорите "квантовый компьютер общего назначения" или "крупномасштабный квантовый компьютер", это зависит от того, что вы имеете в виду, — сказал технический директор компании Quantum Machines Йонатан Коэн (Yonatan Cohen). — Если вы хотите достичь того, что называется отказоустойчивым крупномасштабным квантовым компьютером, я бы сказал, что на это потребуется от 10 до 15 или, может быть, 20 лет. И именно тогда мы действительно сможем использовать весь потенциал квантового компьютера, как, например, алгоритм Шора, который взламывает код RSA».

В чём же прорыв разработки Quantum Motion? Как и в случае других подобных решений, полупроводниковый квантовый чип помещается в криогенную камеру. Традиционно каждый кубит в такой камере управляется множеством сигнальных каналов. Очень уж сложные схемы для считывания и установки квантовых состояний, которые легко изменить любым шумом. Разработчики из Великобритании и США придумали простую систему управления спиновыми кубитами, которая для 1024-кубитового чипа требует всего 9 проводников. Это открывает путь к масштабированию, но как оно будет на практике, остаётся только догадываться.

Также в компании показали, что современное производство полупроводников в принципе годится для выпуска квантовых процессоров. На одном 0,1 мм² чипа Bloomsbury она смогла разместить 1024 квантовые «точки», квантовыми состояниями которых она смогла управлять.

В самой компании Quantum Motion не собираются разрабатывать квантовые процессоры, что говорит о целом ряде проблем, которые ещё решать и решать. Компания собирается сфокусироваться на аппаратной и программной инфраструктуре, необходимой для работы квантовых систем.