Главные научные достижения 2022 года для отрасли ИКТ: выбор CNews13.12.2022 16:03

Фундаментальные и прикладные физико-химические исследования привлекают гораздо меньше внимания, чем новые мобильные приложения, однако именно они лежат в основе цифрового прогресса. Исследования 2022 г. в области квантового компьютинга и новых материалов могут «заработать» уже в ближайшие годы и даже в наступающем 2023 г. Как и в прошлые годы, CNews рассказывает о наиболее важных для ИКТ-рынка научных разработках.

Квантовые решения: все ближе к практическому использованию

О квантовых вычислениях говорят уже не первый год и понемногу квантовые компьютеры выходят из стен лабораторий. Так, в 2023 г. выпустить коммерческий квантовый компьютер планируют компания Fujitsu и японский физико-химический институт RIKEN. Последний — не новичок в суперпроизводительном компьютинге, в его активе — «Фугаку», лидер рейтинга топ-500 «классических» суперкомпьютеров июня 2020 г. и второй по мощи в топ-500 от ноября 2022 г.

В качестве основных сфер применения данных компьютеров названы решение задач квантовой химии (разработка новых материалов с заранее заданными свойствами и лекарств) и прогнозирование финансовых трендов. Из по-настоящему амбициозных задач — «открытие новых физических принципов».

В 2023 г. Fujitsu планирует запустить в RIKEN RQC-Fujitsu Cooperation Center полупроводниковый квантовый компьютер на 64 кубита, в 2024 г. будет построена система на более чем 100 кубитов и реализованы методы коррекции ошибок, а в 2026 г. число кубитов превысит 1 000.

Еще одна перспективная технология — квантовые сети передачи данных, «не поддающиеся взлому» (разве что только с помощью квантовых компьютеров). Исследователи из Технологического университета Делфта в Нидерландах и Университета науки и технологий Китая продемонстрировали коммуникации с квантовой телепортацией на расстояние более тысячи километров.

Однако для того, чтобы интегрироваться в существующую инфраструктуру, квантовым сетям понадобятся интерфейсы, которые соединят их с обычными, «неквантовыми» системами.

Кристаллы времени — теперь можно и посмотреть

Новым этапом в развитии квантовых компьютеров может стать применение так называемых кристаллов времени.

Кристалл времени или временной (темпоральный) кристалл — вид фазового состояния материи, при котором периодически меняется его структура без выделения или поглощения энергии. Красивое название этому состоянию выдано за то, что оно нарушает симметрию обращения времени или Т-симметрию (математическое преобразование в физике, при котором обращается знак переменной времени t, физические законы не должны изменяться в ходе такого обращения).

Также кристаллы времени нарушают базовые законы физики, противоречат второму началу термодинамики (любая замкнутая система стремится к энтропии) и первому закону Ньютона (тело находится в состоянии покоя или движения, если к нему не прилагается сила). Это невозможно в классической физике, но допустимо на квантовом уровне.

Предсказал теоретическую возможность существования кристаллов времени Фрэнк Вильчек (Frank Wilczek) еще в 2012 г. Экспериментальные работы, посвященные кристаллам времени, появились в 2016 г., однако проблема в том, что они разрушаются от любого контакта с окружающей средой, включая наблюдения извне. Кристалл существует, пока вы »не смотрите на него», что характерно для квантовой системы.

В этом году исследователи из Института лазерной физики Гамбургского университета впервые добились успеха в создании кристалла времени, который самопроизвольно нарушает непрерывную симметрию перемещения во времени. И даже смогли его сфотографировать. Ученые использовали конденсат Бозе-Эйнштейна внутри оптического высокоточного резонатора. Исследователи наблюдали фазу предельного цикла, которая характеризуется возникающими периодическими колебаниями числа фотонов внутри резонатора, повторяющимся циклическим изменением плотности атомов.

Определив область стабильности в соответствующем пространстве параметров и продемонстрировав сохранение колебаний предельного цикла даже при наличии сильных временных возмущений, исследователи продемонстрировали устойчивость динамической фазы.

Пока кристаллы времени создаются в сложных экспериментальных условиях, требующих чрезвычайно низких температур и т. д. Однако лиха беда начало, квантовые компьютеры еще недавно тоже были, по сути, дорогостоящими экспериментальными игрушками.

Аккумуляторы: поиски замены литию продолжаются

Большая часть аккумуляторов — по-прежнему литий-ионные, однако попытки заменить литий с каждым годом все настойчивей. Причин тому несколько: запасы лития не бесконечны, он легко воспламеняется, безопасно утилизировать литиевые батареи в полном объеме пока не получается.

В 2023 г. может начаться выпуск натрий-ионных батарей, в которых применяются углеродные аноды и катоды из оксида натрия. У этих батарей меньше емкость, чем у литий-ионных, но зато они дешевле и стабильнее работают при низких температурах.

Также ведутся разработки с использованием кремниевых, графеновых и композитных электродов. Уже появились коммерческие образцы электродов на основе кремния, графеновые ожидаются до 2025 г. Они заменят графитовые аноды, применяемые в нынешних литий-ионных системах. Батареи с кремниевым анодом способны хранить в 20 раз больше энергии, чем с традиционными графитовыми.

Ищут альтернативы и другим технологиям хранения электричества. Так, заменой свинцово-кислотных аккумуляторов могут стать жидкометаллические кальциево-сурмянистые элементы. Первые их образцы уже применяют в солнечных и ветряных электростанциях для стационарного хранения энергии, а тестирование коммерческих продуктов начнется в 2023 г. Они имеют жидкий кальциевый анод, жидкий катод с частицами сурьмы и используют солевой электролит. Такие аккумуляторы дешевле и безопаснее литий-железофосфатных и литий-титанатных, при этом дольше эксплуатируются и не требуют обслуживания.

Специалисты из МИСиС, Института проблем химической физики РАН, Сколтеха и РХТУ им. Д.И. Менделеева создали для ванадиевых аккумуляторов повышенной емкости новый углеродный композитный материал из углеродного волокна, искусственного графита и углерода. Испытания отечественных батарей этого типа стартуют в 2023 г.

В 2022 г. ученым также удалось совершить прорыв в разработке литий-серных батарей для электромобилей. Раньше такие батареи можно было перезарядить всего десяток раз, срок их службы сокращал рост литиевых дендритов. В Мичиганском университете смогли создать литий-серный аккумулятор емкостью 1268 мАч/г и сроком службы более 3500 циклов. Этого они добились с помощью биомиметической мембраны из арамидных нановолокон с пропиткой электролитным гелем. Она препятствует росту дендритов и предотвращает объединение атомов лития и серы в полисульфиды (что снижало емкость аккумулятора). Полисульфиды лития прилипают к арамидным нановолокнам, а ионы лития могут свободно перетекать от одного электрода к другому. Сера — намного более распространенное вещество, чем кобальт, применяемый в катодах литий-ионных аккумуляторов, поэтому «серные» элементы питания будут намного дешевле.

Новые материалы

Одна из проблем квантовых технологий — соответствующие системы могут устойчиво функционировать только при низких температурах. Одним из самых перспективных «квантовых» материалов считаются наноалмазы с точечными дефектами, нарушающими строение кристаллической решетки, такие, как азото-замещенные NV-центры. Их применение позволит квантовым системам работать при комнатных температурах. Ученые из Гонконгского университета разработали для NV-центров метод наноточной печати на квантовом уровне. Для этого они использовали электрический разряд жидких капель, содержащих наноалмазы. Эта технология открывает возможности производства устройств для квантовых вычислений и биодатчиков. При этом достигается высокая точность позиционирования, контроль на уровне отдельных дефектов и возможность получения наноалмазов произвольной формы.

В 2022 году ученые из MIT нашли замену кремнию — арсенид бора. Это полупроводник с рядом интересных свойств, включая высокую теплопроводность. Он обладает высокой амбиполярной подвижностью носителей заряда. Это открывает широкие перспективы для развития электроники.

Для некоторых отраслей нужен полупроводник с высокой теплопроводностью и подвижностью электронов и дырок. Кристалл арсенида бора демонстрирует одновременно высокую подвижность электронов и дырок при комнатной температуре. Исследователи сообщили о подвижности 1600 кв. см/(В·с) при использовании для измерения электрической подвижности и теплопроводности метода оптической переходной решетки.

Для создания высокопроизводительных систем рассматриваются также возможности использования спинового льда. В его кристаллической решетке молекулы воды заменены на магнитные нанокристаллы. Это приводит к появлению квазичастицы, которая напоминает по свойствам магнитный заряд, не привязанный к физическому носителю.

Наномагниты в спиновом льде образуют решетку кагомэ — тришестиугольную мозаику. В ячейке такой решетки шесть магнитов, и каждый из них имеет два состояния спинов. При сверхнизких температурах спины атомов выстраиваются таким образом, что одна часть из них обращена внутрь ячейки, а другая — наружу. Это дает 64 потенциальных магнитных состояния.

Работы в области такого льда ведутся во многих институтах, в частности — в российском Институте физики твердого тела.

В исследовании ученых из швейцарских Института Пауля Шеррера и Федерального института технологий массивы ячеек содержали несколько тысяч наномагнитов, что давало огромное количество магнитных состояний. В ходе исследований удалось построить наноразмерные магнитные мосты между кристаллами — реакция кристаллов стала более предсказуемой. Исследовалось и изменение состояний наномагнитов с течением времени. Ученым удалось также определить конфигурации магнитных спинов, возникающих в момент фазового перехода.

Если создать очень маленькие магнитные частицы и направить в нужную сторону их спины или собственные моменты импульса, понизив температуру до значений, близких к абсолютному нулю, то спиновый лед можно применять для высокопроизводительных систем. Например, для прогнозирования погоды и состояний финансовых рынков (ну, а как же без них), распознавания изображений. Однако, по текущим оценкам ученых, такой компьютер будет создан еще нескоро.

Полный текст статьи читайте на CNews