Поделиться
Главные научные открытия 2024 года для ИКТ-отрасли: выбор CNews
Ежегодно редакция CNews подводит итоги развития науки «с точки зрения ИТ»: что из открытий, совершенных в области фундаментальной науки, может оказать влияние на развитие информационных технологий. В этом году мы выделили четыре основных направления: технологии аккумулирования энергии, новые виды полупроводников и сред организации вычислений, квантовый компьютинг и связь. Тему искусственного интеллекта мы оставили за кадром — о ней писали весь год, надо посмотреть, что происходит и в других областях науки и техники.
Литию нашли замену
Каждый год появляются новые претенденты на роль заменителя все более дефицитного лития в элементах питания. Пока ни один из них не дошел до промышленной стадии,
Китайские ученые смогли создать перезаряжаемый при комнатной температуре около 700 раз кальций-кислородный (Ca-O2) аккумулятор. Раньше такие аккумуляторы заряжались только при высокой температуре. Главное достоинство таких элементов питания — изобилие кальция на планете. Кроме того, аккумуляторы получились гибкими, их даже можно вплетать в ткань. Есть и плохие новости: их КПД пока слишком мал, на зарядку уходит намного больше энергии, чем она потом выдает.
«Алмазная» батарея, разработанная британскими учеными, работает за счет энергии радиоактивного распада углерода-14, из которого она состоит. Поскольку период полураспада C14 составляет 5700 лет, то батарея может давать энергию бесконечно (по нашим меркам) долго. Правда, мощность не очень велика, но ее вполне хватит для микродатчиков или RFID-меток.
Важная характеристика аккумулятора — соотношение его емкости и массы. Шведские ученые взялись за вторую характеристику: они создали аккумулятор из композитного углеродного волокна, который по жесткости не уступает алюминию. То есть из аккумуляторов можно будет создавать если не корпуса, то внутренние детали многих устройств, так что вопрос «веса» во многом решится. Плотность энергии у новинки (30 Вт*ч/кг) также выше, чем у предшественницы (24 Вт*ч/кг, 20% от показателя литий-ионного устройства).
Впрочем, и у литий-ионных батарей есть потенциал к совершенствованию, просто так они не сдадутся. Ученые из Университета штата Орегон выяснили, что в этих устройствах можно для изготовления катода вместо кобальта и никеля использовать железо. Это существенно снижает стоимость аккумуляторов (катод составляет до половины их стоимости). Кроме того, соли кобальта токсичны, что затрудняет утилизацию отработавших устройств. Особо ученые подчеркивают, что для перехода на новую технологию не придется менять конструкцию батарей, создавать новые производственные линии и т.д.
В этом же направлении работают и российские ученые. Евгений Антипов (МГУ) и Артем Абакумов (Сколково). Они создали новые обогащенные никелем катодные материалы для литий-ионных аккумуляторов, а также разработали катодные материалы на основе фосфатов натрия и ванадия для натрий-ионных аккумуляторов, которые значительно превосходят ранее известные материалы. Кроме того, ученые создали опытное производство таких материалов для литий-ионных аккумуляторов, что позволяет на практике подтвердить эффективность разработки и заложить основу для масштабирования и коммерциализации производства аккумуляторов нового поколения.
Найдена альтернатива полупроводникам
Не менее «горячая» тема — исследования в области полупроводников. «Кремний» подходит к пределу возможностей, поэтому ученые ищут ему замены и находят, порой весьма необычные.
Исследователи из Технологического института Джорджии создали функциональный полупроводник из графена на подложке из карбида кремния — единого листа атомов углерода, удерживаемых вместе самыми прочными из известных связей. Электроны в графеновом полупроводнике в десять раз подвижнее, чем в кремниевом. Такие полупроводники к тому же очень прочные, способны выдерживать очень большие токи и при этом не нагреваться и не разлагаться. Все это сулит прорыв в наноэлектронике.
Физики Массачусетского технологического института впервые обнаружили в пятислойном графене дробный квантовый эффект Холла (FQHE). В нем электронный газ образует квазичастицы — коллективные возбуждения, несущие дробный элементарный заряд, то есть их заряд меньше, чем заряд электрона. Используя FQHE, можно создать отказоустойчивые квантовые компьютеры, роль кубитов в которых играют дробные заряды.
Исследовательская группа, состоящая из сотрудников институтов Германии, Китая и Финляндии создала фотонные кристаллы времени, которые экспоненциально усиливают свет. ФКВ — это класс оптических материалов, которые остаются однородными в пространстве, но демонстрируют периодические колебания во времени. Это делает возможным создавать, например, нанодатчики, способные улавливать совсем слабое излучение.
Сверхпроводящие элементы на основе селенида железа известны давно, однако в этом году в Йельском университете открыли, что кристаллы этого вещества являются новым типом полупроводников, в котором сверхпроводимость связана с эффектом электронного нематизма, состояния материи, в котором нарушается симметрия движения электронов. Сверхпроводники, в частности, необходимы для создания квантовых компьютеров.
Квантовые компьютеры стали мощнее
О квантовых компьютерах говорят так давно, что их уже устали ждать. Однако хайп схлынул, а технологии идут вперед.
Главная сложность при создании квантовых компьютеров — необходимость коррекции ошибок, связанных с декогеренцией и квантовым шумом. По мере роста количества кубитов растет и вероятность ошибки, что существенно ограничивает прогресс квантовых технологий. В квантовом процессоре Willow (105 физических кубитов) на Google решили проблему с помощью логических кубитов. Логический кубит состоит из нескольких физических, которые совместно используют одни и те же данные. И если какой-либо физический кубит выходит из строя, вычисления продолжаются, поскольку информация все еще может быть найдена в логическом кубите. Технология масштабируема — чем больше кубитов в системе, тем надежнее коррекция ошибок, их количество, как заявляют разработчики, будет убывать экспоненциально.
Кремний не собирается уходить в историю, готовясь стать частью квантового компьютинга. Ученые трех университетов, двух манчестерских и мельбурнского, создали образец сверхчистого кремния-28. Для этого они «обычный» образец кремния, содержащий 4,7% кремния-29 (свойства которого ограничивают время жизни кубита) облучили пучков кремния-28, «выбив» вредные примеси (кроме кремния-29 это и еще более редкий кремний-30) из кристаллической решетки. Теоретические расчеты показывают, что в таком однородном материале время электронной когерентности может достичь 10 секунд, что в 10 тысяч раз больше прошлого рекорда (0,95 мс).
Ученые из финского университета Аалто смогли произвести с помощью болометра (теплового приемника излучения) однократное (то есть неусредненное за несколько измерений) считывание состояния кубита с точностью 0,618. В дальнейшем точность планируется поднять за счет усовершенствования конструкции установки. Считывание кубита требуется для определения результата в конце вычисления, а также для исправления ошибок. Сегодня проблемы считывания — это одно из основных узких мест, ограничивающих разработку сверхпроводящих квантовых процессоров большого масштаба с коррекцией ошибок.
Тайваньские ученые из Университете Цинхуа разработали самый маленький квантовый компьютер в мире, в котором в качестве кубита используется один-единственный фотон. Поэтому новый компьютер компактен, не требует охлаждения (работает при комнатной температуре) и помещается на столе. У компьютеров на сотнях фотонов те же проблемы с сохранением состояний, что и у компьютеров на кубитах. Стабилизировать состояние одного фотона гораздо проще. Разработка хранит информацию в «32 временных интервалах или измерениях» внутри волнового пакета одного фотона, говорят тайваньские ученые, это рекорд по количеству вычислительных измерений, к которым может получить доступ один кубит. Дополнительный плюс — поскольку в качестве кубита компьютер использует фотон, его можно будет легко интегрировать в оптические системы связи.
Российские ученые из Российского квантового центра и Физического института имени П. Н. Лебедева РАН создали 50-кубитовый квантовый компьютер, таким образом, наша страна стала шестой страной, у которой есть компьютер такой мощности. По другому показателю — наличию квантовых компьютеров на всех четырех основных платформах — сверхпроводниках, ионах, нейтральных атомах и фотонах — мы вошли в тройку лидеров.
Скорость беспроводной передачи данных увеличилась
Все открытия должны иметь «народно-хозяйственный» эффект, и отчетливей всего граждане видят его в области связи, где связь науки и практического применения наиболее тесная и наглядная.
В Нью-Йорке полмесяца проработал тестовый образец «квантового интернета». Компания Qunnect 15 дней гоняла по 34-километровой оптоволоконной сети поляризационно-запутанные фотоны. Настраивая оборудование под свойства фотонов, компания достигла показателя времени безотказной работы 99,84% и точности компенсации 99% для запутанных пар фотонов, передаваемых со скоростью около 20 тысяч штук в секунду. При передаче 500 тыс. пар в секунду точность все еще составляла почти 90%.
Исследователи из Лондонского университета установили новый мировой рекорд в области беспроводной передачи данных: скорость составила 938 Гбит/с. Передача происходила в диапазоне частот 5–150 ГГц, именно применение рекордно широкого диапазона дало возможность достичь такой скорости. Для этого исследователи из UCL Electronic & Electrical Engineering впервые объединили радио- и оптические технологии при передаче данных. Новая технология может произвести революцию в области беспроводного подключения
А в области проводного подключения группа ученых из Британии, США и Японии сумела добиться скорости 301 Тбайт/с. Для этого в оптоволоконной системе кроме стандартных диапазонов волн — обычный (C) и длинноволновой (L) — были использованы диапазоны E (расширенный) и S (коротковолновой). Это рекорд для стандартной одножильной оптоволоконной системы.
Датские исследователи смогли произвести передачу информации с использованием квантового распределения ключей с непрерывной переменной (CV-QKD) на рекордное расстояние в 100 км. С помощью машинного обучения они смогли быстрее произвести измерения возмущения, влияющих на систему, и снизить его воздействие на процесс передачи. Как утверждают ученые, решения на базе CV-QKD могут быть интегрированы в уже существующие системы связи, нет необходимости их менять или перестраивать.
Ученые из НИИЯФ, МГУ, Сколтеха и Парижского университета науки и литературы предложили новый подход к созданию квантовых сетей. Разработанная ими технология позволяет преобразовывать квантовую информацию между твердотельными кубитами и фотонными кубитами, что открывает перспективы для более масштабируемых квантовых систем, включая распределенные сети, такие как квантовый интернет.
Основная идея — использование сверхпроводниковых кубитов, основанных на джозефсоновских переходах, которые могут взаимодействовать с электромагнитными полями в микрополостях. Это позволяет передавать информацию между различными типами квантовых устройств с помощью неклассических электромагнитных полей.
Короткая ссылка
