Главные научные открытия 2023 года для отрасли ИКТ
Второй год тема коронавируса продолжает оттягивать на себя внимание ученых и, соответственно, финансирование исследований. Однако есть ряд «модных» (таких как квантовый компьютинг) или насущных (поиск альтернативы литий-ионным аккумуляторам) тем, работы над которыми не останавливаются несмотря ни на что. Как и в прошлые годы, CNews рассказывает о наиболее важных для ИТ-рынка научных разработках.
 |
| Квантовые компьютеры |
Квантовые компьютеры — уже скоро?
В НИТУ «МИСиС» экспериментально доказали существование нового типа квазичастиц — ранее неизвестных возбуждений связанных пар фотонов на цепочках кубитов. Это открытие должно помочь создавать квантовые системы, устойчивых к ошибкам. «Мощность» квантовых компьютеров измеряется в кубитах, работа с которыми осложняется двумя обстоятельствами. Кубиты подвержены декогеренции (процесс нарушения слияния), которая сокращает срок службы кубитов и приводит к вычислительным ошибкам. А большими массивами кубитов очень сложно управлять. Если же создать из кубитов искусственную материю, то управление ими значительно упростится, что, в свою очередь, даст возможность создавать более мощные и более устойчивые к ошибкам квантовые системы.
Есть подвижки и в области передачи данных, базирующиеся на эффекте квантовой телепортации — переноса состояния квантовой частицы из одного места в другое при помощи запутанности. Так, группа ученых из Бразилии и Нидерландов смогла телепортировать квантовое состояние одиночного фотона на оптомеханическое устройство. Исследователи создали фотонный кубит, закодированный в произвольном состоянии, а затем перенесли его через десятки метров оптоволокна, чтобы путем телепортирования скопировать это состояние в квантовую память из двух кремниевых резонаторов размером около 10 мкм. Это достижение можно будет применять в усилителях сигнала, узлах сети связи, хранящих данные перед тем, как они телепортируются на следующие узлы. Такие устройства еще и выполняют функцию «квантовой памяти».
Также эксперименты по телепортации между двумя программируемыми кремниевыми микросхемами провели исследователи из Бристольского университета. В ходе экспериментов удалось получить передачу индивидуального квантового состояния частиц между чипами. По итогам эксперимента удалось передать 91% информации, что является хорошим показателем. Эти открытия помогут использовать квантовые технологии для создания мощных систем связи.
Еще одно открытие, которое может стать важной вехой на пути внедрения квантового компьютинга, сделали в Венском университете. Там смогли «связать» германий с алюминием создав монолитную гетероструктуру «металл-полупроводник-металл». Эта структура демонстрирует уникальные эффекты, которые особенно заметны при низких температурах. Алюминий становится сверхпроводящим, причем это свойство также передается и германиевому полупроводнику, что делает новую структуру превосходно подходящей для применения в квантовых технологиях. При этом она хорошо сочетается с уже известными технологиями микроэлектроники: германий уже используется в современных микросхемах, а температуры, необходимые для формирования гетероструктуры, совместимы с хорошо зарекомендовавшими себя схемами обработки полупроводников.
Литий и конкуренты
Литий-ионным элементам питания то ли 50 с небольшим лет (если отсчитывать от работ Майкла Уиттингема (Michael Whittingham), то ли 30, если вести их родословную от Акира Есино (Akira Yoshino). Для истории в равной степени ценны оба, получившие (в компании третьего разработчика, Джона Гуденафа, John Goodenough) в 2019 г. Нобелевскую премию по химии — как раз за изобретение и совершенствование литий-ионных технологий.
В любом случае, практически все технологии, что 30-, что 50-летней давности, применяемые в ИТ, уже давно на заслуженном отдыхе, а литий-ионные элементы по-прежнему практически незаменимы. Все проекты «гигафабрик» по производству аккумуляторов по-прежнему создаются под этот тип элементов.
Однако в последние годы изыскания в области альтернативных аккумуляторных технологий резко интенсифицировались. Литий и кобальт (еще один необходимый для производства аккумуляторов элемент) резко дорожают, кроме того, в новом дивном мире электромобилей их может банально не хватить. Поэтому проблема нахождения альтернативы — более емкой, быстрее заряжающейся и выдерживающей больше циклов зарядки и разрядки (и, по возможности, более экологичной) — важна как никогда.
Исследования ведутся во всех странах, материалы, которые с тем или иным успехом применяют для создания аккумуляторов, весьма различны — от бетона до алмазов. Впрочем, и литий не сдается без боя.
Китайская компания Contemporary Amperex Technology анонсировала коммерческие образцы натрий-ионных батарей, которые можно выпускать параллельно с литий-ионными без переоборудования конвейеров. Можно даже использовать элементы обоих типов в одном аккумуляторном блоке. Заявленные характеристики: плотность энергии 160 Вт*ч/кг, зарядка за 15 минут на 80% при комнатной температуре, при -20 °C аккумулятор сохраняет более 90% емкости.
Австралийская Graphene Manufacturing Group совместно с учеными Квинслендского университета создала алюминиево-ионные батареи, в которых применяется графен. Как заявляют в компании, эти батареи имеют высокую плотность энергии и более высокую удельную мощность по сравнению с литий-ионными батареями, заряжаются в 70 раз быстрее, срок службы больше втрое, а, главное, в них используются недорогие элементы, цепочки поставок которых просты и надежны (что крайне важно в нынешних условиях).
В шведском Технологическом университете Чалмерса подобрали компоненты, которые позволяют сделать гигантским аккумулятором все здание. В их разработке используется бетонная смесь с включенными в нее углеродными волокнами. Также в эту смесь вмонтирована углеродная сетка, покрытая металлом, ученые решили использовать железо и никель для анода и катода соответственно. В результате получилась перезаряжаемая батарея с довольно высокой для этого типа аккумуляторов плотностью энергии 7 Вт*ч/кв.м (или 0,8 Вт*ч/л). Энергии аккумулятора должно хватить, например, на работу передатчиков 4G или малопотребляющих устройств «умного дома».
Есть и совсем экзотические варианты. Так, в Японии разработан аккумулятор на основе синтетических алмазов и радиоактивных изотопов. Одного его заряда хватает на сотни лет, и создатели предлагают использовать его в мощных буровых установках и космическом оборудовании (которые сейчас до предела компьютеризированы, так что можно считать, что и эти батареи помогут развитию информационных технологий). Залог долговечности — применяемые в батареях изотопы углерода и никеля с длительными периодами полураспада (5700 и 100 лет соответственно).
Также на основе связки «алмаз + радиоактивные вещества» создают батареи в американской Nano Diamond Battery и в российском НИТУ «МИСиС».
Впрочем, литий не сдается, совершенствуются традиционные элементы на основе из этого металла и разрабатываются новые. В частности, есть подвижки в деле создания твердотельных батарей. Quantum Scape представила результаты испытаний твердотельной литий-ионной батареи, которая заряжается на 80% за 15 минут, сохраняет более 80% емкости после 800 циклов, а ее объемная плотность энергии, 1000 Вт ч/л, примерно на 80% больше, чем у современных жидкостных литий-ионных элементов.
Еще один аккумулятор на базе лития получился при совершенствовании одноразовых батарей на основе литий-тионилхлорида. Из-за агрессивности хлора батарейки получались одноразовые (хотя и весьма конкурентоспособные по основным показателям). Многоразовость обеспечили катоды из пористого углерода. Утверждается, что емкость таких элементов может вшестеро превосходить емкость литий-ионных аккумуляторов, однако количество циклов перезарядки пока не превышает 200 (литий-ионный аккумулятор может выдержать до 1000 циклов).
«Хранить вечно»: «пятимерный» оптический диск вмещает 500 Тбайт
В Саутгемптонском университете разработали новый метод 5D-записи данных на оптические диски из кварцевого стекла. Фемтосекундные лазерные импульсы при записи диска создают в нем объемные микрокристаллы различной формы. Длина, ширина и высота каждого микрокристалла, а также сила и поляризация импульса света дают «пять измерений», в которых можно закодировать данные. За счет этого удалось добиться плотности записи до 5 Гбайт на однодюймовый квадратный носитель, что дает приблизительно 500 Тбайт на оптическом диске стандартных размеров, а скорость записи — как до 225 Кбайт/с. Точность записи составила 96,3%–99,5%, средства коррекции ошибок дают возможность поднять точность до100%.
«Классические» оптические диски хранят гораздо меньший объем (128 Гбайт хранит четырехслойный диск стандарта BluRay), и, что боле существенно, срок их гарантированной службы около десяти лет. Кварцевый диск практически вечен, в том числе и в экстремальных условиях, поскольку выдерживает нагрев до 1000°С. Диск перезаписываемый (перезаписываемые DVD надежно служат только два-три года).
Создавать «пятимерные» диски уже более десяти лет пробовали многие компании, однако все упиралось в скорость записи, которая была так мала, что на запись «обычного» диска в 4,7 Гбайт ушли бы месяцы. При том, что уже в 2013 г. диски, разработанные в университете, теоретически, могли бы хранить до 360 Тбайт, если бы, конечно, кто-то взял на себя труд записывать информацию на них в течение почти 60 лет на достигнутой тогда скорости в 12 Кбайт/с.
Нынешний 500-терабайтный диск на скорости 225 Кбайт/с можно записать «всего» за 4 года. Прогресс очевиден. Создатели диска обещают дальнейшее совершенствование системы записи, которая даст возможность наполнять диск за пару месяцев, в том числе — за счет использования нескольких лазеров.
Кроме невысокой скорости работы, внедрение технологии задерживается дороговизной оборудования, необходимого для записи, правда, читать диск можно с помощью гораздо более дешевых устройств.
Криптография квантовой эпохи
По прогнозу Marketsandmarkets, в 2021 г. рынок квантовых технологий составит $472 млн, в 2026-м — уже $1,765 млрд (рост — 30% в год), однако уже сейчас встает вопрос о криптографических решениях, которые смогут противостоять взломщикам, вооруженным квантовыми компьютерами. Пока сегмент квантовой криптографии еле различим (в 2020 г. Marketsandmarkets оценил его $89 млн, в 2025 г. обещано $214 млн), но работы ведутся во многих направлениях.
Так, компания BT объявила об успешном испытании работы механизма квантового распределения ключей (Quantum Key Distribution, QKD) в новом типе оптического волокна — пустотелом «антирезонансном безузловом».
Концепция QKD, базирующаяся на передаче ключей шифрования одиночными фотонами, появилась в 70-х годах, первая реализация была предложена в 1984 г.
Процесс обмена ключами посредством QKD считается невзламываемым, поскольку в нем в полной мере используется тот факт, что при попытке вмешаться в процесс передачи злоумышленник внесет изменение в состояние фотонов и будет обнаружен.
Как правило, в оптоволоконных линиях данные передаются по сплошному оптоволоконному каналу с использованием света разных длин волн (это повышает пропускную способность канала). При этом QKD-фотоны, передающие ключи, требуют выделенного волокна для того, чтобы световые потоки из высокоскоростных каналов передачи данных не создали помех. В противном случае потоки передаваемых данных могут внести помехи в процесс передачи ключей.
Использование пустотелого волокна — волокна с воздушным каналом внутри — уменьшает помехи и задержку сигнала. Таким образом, это позволяет по одному и тому же физическому волокну передавать как высокоскоростной поток зашифрованных данных, так и слабый квантовый сигнал из отдельных фотонов, который несет ключ шифрования этих данных. В BT считают, что низкая задержка полого оптоволокна и возможность отправлять ключи по тому же волокну, что и основной сигнал, дадут новый импульс исследованиям в области создания безопасных сетей связи.
Другой подход продемонстрировали ученые из университета штата Огайо, усовершенствовавшие технологию PUF (Physical Unclonable Function, «Физически неклонируемая функция»). PUF — это функция, воплощенная в физической структуре, которую просто оценить, но трудно охарактеризовать, смоделировать или воспроизвести. Физическая структура, содержащая PUF, состоит из множества случайных компонентов, которые вводятся в нее в ходе создания системы. При воздействии такая физическая система порождает уникальный, но непредсказуемый ответ. Воздействие и ответ образуют пару запрос-подтверждение.
Новое решение реализуется в PUF на уровне внедрения вариаций в компьютерные чипы. Эти вариации чрезвычайно малы, в некоторых случаях они существуют на атомном уровне.
Для пользователей эти изменения не заметны, но зато они могут применяться при создании так называемых «секретов» — уникальных последовательностей нулей и единиц.
Существующие сейчас PUF несовершенны, так как содержат ограниченное число «секретов». Это значит, что со временем их можно взломать. По мере внедрения квантового компьютинга это «время» существенно уменьшится.
В новой версии PUF ученые создали сложную сеть логических вентилей, связанных между собой случайным образом. Логические ворота вентиля принимают два электрических сигнала и формируют из них новый сигнал. Такое нестандартное использование ворот провоцирует ненадежное, непредсказуемое поведение системы, своего рода детерминированный хаос.
По подсчетам ученых, новый PUF может создать 10 в 77 степени «секретов». Гипотетический хакер, способный раскрывать 1 миллион комбинаций в секунду, потратит на расшифровку пароля примерно 20 миллиардов лет.
0 Комментарии